Jl. Д. Ковалев С. Н. Суровой Специальные приборы для измерения линейных и угловых величин БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Л. Д. Ковалев С. Н. Суровой СПЕЦИАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ И УГЛОВЫХ ВЕЛИЧИН Допущено Министерством образования Республики Беларусь в качестве учебного пособия для студентов специальностей «Приборостроение» и «Метрология, стандартизация и сертификация» высших учебных заведений М и н с к 2003 УДК -621.002: ББКЗЗДзй К 56 Рецензенты: Белорусский государственный институт метрологии, директор, канд. техн. наук Н.А. Жагора; кафедра радиоэлектронных средств Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники, зав. кафедрой, профессор Н.С. Образцов Ковалев Л.Д. Специальные приборы для измерения линейных и угловых величин: Учеб. пособие/ Л.Д.Ковалев, С.Н.Суровой. - Мн.: БИТУ, 2003. - 238 с. ISBN 985-6529-65-4. В работе изложены методы и средства измерения угловых величин, отклонений формы, расположения и шероховатости поверхности. Книга является учебным пособием по дисциплинам «Приборы для измерения линейных и угловых величин» и «Средства измерения фи­ зических величин». Она может быть использована при прохождении со­ ответствующих разделов специальных курсов на приборостроительном и машиностроительном факультета*. Книга может быть полезна для конструкторов, технологов и работ­ ников технического контроля приборостроительных и машинострои­ тельных предприятий, связанных с конструированием и эксплуатацией контрольно-измерительных приборов и приспособлений. УДК 621.002:531.71(075.8) ББК Э4.4я7 ISBN 985-6529-65-4 О Ковалев Л.Д., Суровой С.Н., 2003 В в е д е н и е Перспективное планирование развития экономики тесно связано со все ускоряющимся повышением требований к качеству продукции. Влияние качества на непрерывность и ритмичность производст­ ва, себестоимость продукции, объем ее выпуска, производитель­ ность труда и эффективность в целом ряда процессов производства и потребления многообразно. Высокое качество продукции способ­ ствует удовлетворению постоянно растущих потребностей населе­ ния, а также стабилизации и развитию международных связей. Контроль многочисленных параметров качества является в пер­ вую очередь задачей измерительной техники. Высокое качество продукции может быть достигнуто только там, где измерительная техника составляет неотъемлемую часть процесса производства. Кроме того, необходимое повышение качества предъявляет все воз­ растающие требования к эффективности самой измерительной тех­ ники. Поэтому обеспечение качества и измерительная техника в процессах производства неразрывно связаны между собой. В таких отраслях производства, как машиностроение, электро­ техника, электроника, приборостроение, текстильная промышлен­ ность, химическое машиностроение, производство потребительских товаров, измерение геометрических величин является основой про­ верки контроля качества, учета количества продукции и управления технологическими процессами. Для получения оптимального качества конкретной детали необ­ ходимо нормировать и контролировать: отклонение линейных и угловых размеров; отклонение расположения поверхностей; отклонение формы; волнистость поверхности; шероховатость поверхности. В настоящем учебном пособии рассматриваются специальные средства для измерения угловых величин и для измерения отклоне­ ний формы и шероховатости поверхности как цилиндрических, так и плоских поверхностей. Учебное пособие предназначено для студентов специальности 1-38 01 01 «Механические и электрические приборы и аппараты», 3 а также для студентов специальности 1-54 01 01 «Метрология, стандартизация и сертификация». Кроме того, это пособие может быть полезным для студентов всех машиностроительных специальностей. Учебное пособие подготовлено сотрудниками кафедры «Конст­ руирование и производство приборов» приборостроительного фа­ культета БНТУ и написано в соответствии с программой курса «Приборы для измерения длин и углов». 1. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ОТСЧЕТНЫЕ УСТРОЙСТВА Оптоэлектронные отсчетные устройства не имеют подвижных частей и лишены тех недостатков механических и электромехани­ ческих отсчетных устройств, которые обусловлены перемещающи­ мися массами в виде стрелок, отметок и указателей. В настоящее время оптоэлектронные отсчетные устройства для измерительных приборов, нформационно-измерительных систем, систем отображе­ ния информации и т. д. получили широкое развитие и отличаются большим разнообразием используемых электрооптических эффек­ тов, а также схемных и конструктивных решений. 1.1. Отсчетные устройства на лампах накаливания и световодах Формирование цифровых символов в отсчетных устройствах на лампах накали­ вания осуществляют следующим образом: сегментное (из отдельных нитей накалива­ ния); матричное (из отдельных ламп нака­ ливания); с помощью трафаретов, где лам­ пы накаливания используют как источники подсветки. Цифровые сегментные лампы накалива­ ния, основанные на принципе светоизлуче- ния раскаленной спирали, конструктивно выполняют в виде стеклянного вакуумного баллона 1 (рис. 1) с несколькими нитями накаливания - сегментами 4, из которых синтезируются соответствующие цифры. Рис. 1. Цифровая лампа накаливания 4 Нити накаливания изготовляют из специального вольфрамового сплава в виде спирали диаметром 60 мкм. Их крепят между опорны­ ми штырями, расположенными на черной изоляционной пластине 2. В зависимости от конструкции лампы свечение нитей и соответст­ вующей цифры можно наблюдать с боковой или торцовой поверхно­ сти баллона. Номинальный режим работы цифровых ламп накаливания соответ­ ствует температуре нагрева нитей t не более 1250°С, что обеспечивает большой срок службы при достаточной яркости свечения цифр. При нагреве за счет малых линейных размеров нити не теряют форму пря­ мых, а возможное их провисание глазом оператора не воспринимается. В местах крепления нитей накаливания к штырям температура нитей снижается, в результате чего возникают потемнения спирали, но они мало заметны. Вольфрамовая раскаленная спираль дает соломенно- желтый цвет свечения, и для получения необходимой цветности цифр применяют различные внешние цветные фильтры, устанавливаемые перед торцовой или боковой поверхностью лампы. Лампы, накаливания типа ИВ-19 и ИВ-20 имеют торцовый вывод цифровой информации с увеличенным числом сегментов (10 сегментов на одном знакоместе), что исключает ошибки считыва­ ния при отключении одного из сегментов. Лампа ИВ-19 имеет жест­ кие, а лампа ИВ-20 - мягкие выводы. Расчетный срок службы цифро­ вых ламп не менее 100 тыс. ч, гарантированный срок службы 10 тыс.ч. Основные достоинства цифровых ламп накаливания: высокая (до 20 тыс. кд/м2) легко регулируемая яркость, что позволяет эксплуа­ тировать цифровые отсчетные устройства на их основе при прямом солнечном освещении; большой угол наблюдения (до 140°); широ­ кие возможности изменения цветности излучения за счет использова­ ния разнообразных цветных фильтров и пленок; высокая долговеч­ ность при неизменной яркости в течение длительного срока службы; низкая стоимость, обусловленная недефицитностью используемых материалов и отлаженной технологией изготовления; нечувстви­ тельность к воздействию радиации и электростатических полей; возможность сопряжения с интегральными схемами для управления зажигания сегментов. Недостатками цифровых ламп накаливания являются большая потребляемая мощность, выделение тепла, блики на стеклянном 5 баллоне, малая скорость смены информации (обычно 15...17 цифр в минуту), обусловленная силовой инерцией нитей накаливания. Матричные отсчетные устройства на лампах накаливания по­ зволяют получать изображение цифр больших размеров, хорошо на­ блюдаемых при больших расстояниях до плоскости установки мат­ рицы и при высоких уровнях внешней освещенности. Типовыми являются цифровые указатели УЦ-411 и УЦ-412, у ко­ торых 20 ламп накаливания образуют матрицу в виде цифры 8. Конст­ руктивно они выполнены в виде отдельных блоков на одно место и могут быть установлены на щите в горизонтальном ряду вплотную друг к другу, образуя многоразрядные отсчетные устройства. Для внешних соединений указатели снабжены разъемами типа МРН-22-2. Для получения необходимой равномерности свечения всех элемен­ тов отсчетного устройства в виде матрицы на лампах накаливания ре­ комендуют учитывать следующие основные факторы: допускаемый техническими условиями разброс светового потока лампы; неравно­ мерность свечения тела накала; отсутствие жестких ограничений на положение тела накала по отношению к ее баллону и месту крепления; зависимость светового потока и равномерности свечения тела накала от питающего напряжения; количество используемых ламп накалива­ ния и их взаимное расположение на приборной доске или панели; ли­ нейные размеры и глубину расположения отдельных ламп. Некоторые из указанных факторов не зависят от конструкции сис­ тем отображения информации и определяются характеристиками лам­ пы. Другие требуют специального учета при создании отсчетных уст­ ройств, например, светотехнического расчета, стабилизации напряже­ ния питания и его регулирования для каждой лампы, регулирования взаимного расположения ламп и т. д. Лампы накаливания как источники подсветки используют в оп­ тических проекционных отсчетных устройствах и в устройствах на основе световодных элементов. Конструктивная особенность отсчетных проекционных устройств заключается в том, что в одном корпусе расположено несколько не­ зависимых проекционных систем, каждая из которых может проеци­ ровать на экран только одну цифру. Смена цифр на одном знаке обеспечивается соответствующей коммутацией ламп накаливания проекционных систем. Для получения цифр на одном знаке в преде- 6 лах экрана оптические оси проекционных систем должны пересе­ каться в центре экрана. Рис. 2. Оптическая схема одной проекционной системы ячейки Г1Т-2М На рис. 2 показана оптическая схема одной проекционной систе­ мы ячейки ПТ-2М, в которой лампа 1 освещает цифру, нанесенную на поверхности конденсора 2, а объектив 3 дает изображение цифры на экране 4. В других устройствах цифры нанесены на сменных диапозитивах или трафаретах. В цифровых отсчетных устройствах, построенных на основе световод­ ных элементов, цифры, нанесенные на прозрачные пластины, синтезируе­ мые из прозрачных сегментов, становятся видимыми при освещении тор­ цов соответствующих световодов миниатюрными лампами накаливания. В знаковом индикаторе с торцовой подсветкой цифры от 1 до 9 и запятая нанесены точками на плоские прямолинейные стеклянные пластины, образующие пакет. Торцы пластин подсвечиваются бесцо- кольными лампами НСМ10Х55ВН, которые обладают высокой на­ дежностью. Разновидности цифрового индикатора на четыре и один­ надцать знакомест отличаются числом пластин и лампочек подсветки, имеют габаритные размеры 63x32x32 мм, размер цифр 32 х 15 мм, мощность на цифру 0,45 Вт, напряжение питания 8,5...9,5В, массу 0,09 кг и могут эксплуатироваться при температуре окружающей сре­ ды от - 10 до +65 °С и относительной влажности до 80 %. Обратный контраст цифры и фона при освещенности помещения З0...50лк не ниже 90 %, допустимый уровень освещенности 200 лк. Для подключе­ ния к схеме управления используют штепсельный разъем. При синтезировании цифр из отдельных прозрачных сегментов в качестве световодов могут быть использованы оптические волокна (рис. 3, а), торцовые части которых, обращенные к оператору, имеют форму сегментов, расположенных в плоскости лицевой панели инди­ катора. Противоположный торец волокна, имеющий углубление соот­ ветствующей формы, вставлен с минимальным зазором в баллон лам­ пы 4, установленной на панели крепления источников излучения 3. 7 Рис. 3. Отсчетные устройства с торцовой подсветкой В индикаторе цифровой информации с торцовой подсветкой при­ менены светоизолированные по отношению друг к другу четырех­ гранные световоды из плексигласа (рис. 3, б). Световоды 2, 4, 7, 14 и 21 расположены по сторонам прямоугольника, разделены сходящими­ ся к центру световодами 6, 15, 18 и 19, а световоды 3, 16 и 20 рас­ положены по диагонали прямоугольника и также сводятся к центру. Все световоды в точках соприкосновения друг с другом свето- изолированы и образуют прочную единую структуру в виде неразъем­ ной конструкции. В передней крышке 1 выполнено окно размером вы­ свечиваемой цифры, в плоскости которого расположены выходные торцы световодов. У входного торца каждого световода установлены источники излучения 13, закрытые непрозрачными экранами 10 с ще­ лями 9 по направлению к торцу световодов. Световоды и лампы нака­ ливания с экранами прикреплены к задней стенке 11 из непрозрачного изоляционного материала, в которой выполнены гнезда 12 в соответ­ ствии с числом источников излучения. В устройстве ■ использованы лампы накаливания типа КМ 24 х 105, потребляемая мощность не бо­ лее 16 Вт, размер индикатора 124 х 108 х 60 мм. Управление источни­ ками света и высвечиванием сегментов осуществляется через дешиф­ ратор в соответствии с поданным на вход схемы кодом. В средствах отображения цифровой информации коллективного использования можно применить наборные элементы в виде плос­ ких пластин из флуоресцирующего стекла. Различное сочетание об­ разцов пластин позволяет формировать контур любой цифры от 0 до 9. При облучении боковых поверхностей пластин светом источников в виде ламп накаливания торцы пластин начинают ярко светиться. В устройстве могут быть использованы флуоресцирующие органические 8 стекла различной толщины и цветовых оттенков, в частности стекла 1ФЖ-6 и 1ФК-6, дающие ярко выраженные желтый и красный цвета соответственно. Оптимальное расстояние наблюдения для индикато­ ров ЦИФ-1 и ЦИФ-2 составляет 6...8 м при уровне внешней освещен­ ности 300...500 лк, а для индикаторов ЦИФ-3 и ЦИФ-5 соответственно 15. ..20 м (400...600 лк) и 25...30 м (1500...2000 лк). 1.2. Катодолюминесцентные отсчетные устройства Принцип действия катодолюминесцент­ ных отсчетных устройств основан на спо­ собности люминофоров преобразовывать кинетическую энергию электронов в свето­ вую энергию видимого участка оптического диапазона спектра. Катодолюминесцентные устройства представляют собой электрова­ куумные триоды в стеклянном баллоне, у которых аноды выполнены в виде отдельных элементов (сегментов, отметок), покрытых катодолюминофорами. Подбирая соответст­ вующий состав люминофора, можно полу­ чить различный цвет высвечивания. В одноразрядных катодолюминесцентных цифровых устройствах (рис. 4) внутри стек­ лянного баллона последовательно один за несцентная цифровая Д Р У ™ м расположены оксидный катод прямо- лампа го накала 1, управляющая сетка 2, аноды- сегменты 4, установленные на токопроводя­ щей пластине 3. Подогреваемый катод имеет форму прямой нити нака­ ла диаметром около бОмкм, проходящей вдоль всех сегментов. Для лучшей равномерности свечения при широких цифрах используют две нити накала. Управляющую сетку изготовляют из проволоки толщиной 30 мкм. Она имеет широкие ячейки,и ее устанавливают так, чтобы при­ крыть все изображения сегментов-цифр. Каждый электрод (катод, сетка и анод) имеют отдельные выводы, подключаемые к источнику питания, при этом сигналы подаются на аноды через соответствующие коммути­ рующие устройства. При прохождении тока через нить накала она на­ гревается до температуры, меньшей температуры каления, и поэтому остается видимой. Сетка и включенные аноды имеют, как правило, по­ ложительный потенциал, так что электроны, испускаемые нитью нака­ Рис. 4. Катодолюми- 9 ла, приобретая некоторую скорость, пролетают по инерции сетку и дос­ тигают анода. В каждый момент времени будет светиться тот анод- сегмент, на который подано напряжение, а конфигурация цифры опре­ деляется набором светящихся сегментов. Одноразрядные катодолюми­ несцентные цифровые устройства серийно выпускаются в виде ламп типа ИВ в миниатюрном исполнении нескольких типоразмеров. Все они имеют зеленый цвет свечения. В лампах ИВ-17 и ИВ-22 цифровые сим­ волы выводятся через торец баллона, в остальных лампах - через боко­ вую поверхность баллона. При создании цифровых ламп в торцовом исполнении могут быть использованы керамические платы, позволяю­ щие получить более экономичные по величине потребляемой мощности устройства. Плата представляет собой конструкцию, состоящую из ке­ рамической подложки размером 26,3 х 15,5 х 1,5 мм с многослойным тонкопленочным покрытием и металлических анодных выводов. При­ менение тонкопленочных покрытий на платах увеличивает яркость све­ чения цифр в 1,5...2,0 раза, а также улучшает равномерность свечения сегментов. На основе конструкции унифицированной керамической подложки можно создать различные типы одноразрядных катодолюми­ несцентных цифровых устройств путем изменения формы и конструк­ ции выводов. Многоразрядные катодолюминесцентные цифровые устройства могут быть образованы расположением в столбцы и строки (ряды) од­ норазрядных цифровых устройств, при этом необходимо выполнять большое число самостоятельных выводов. Например, в девятиразряд­ ном устройстве необходимо 99 независимых выводов: 18 выводов от 9 цепей катодов, 9 выводов 9 управляющих сеток, 63 вывода от 9 семи­ сегментных цифр, 9 общих выводов. Более просто и экономически выгоднее выполнять многоразряд­ ные цифровые устройства в виде одной круглой или плоской колбы. Они имеют общие для катодов нити накала, управляющую сетку, со­ стоящую из отдельных самостоятельных частей, расположенных под каждой цифрой, и аноды-сегменты, образующие цифру каждого раз­ ряда. Отдельные выводы от каждой сетки позволяют подавать управ­ ляющие напряжения на них независимо друг от друга. Одноименные аноды-сегменты цифр различных разрядов соединены между собой и имеют общий вывод. В результате число выводов в девятиразрядном устройстве уменьшается до 19 (2 выхода от общего накала, 9 выводов от 9 отдельных управляющих сеток, 7 выводов от 7 сегментов и 1 общий вывод). Такое число выводов можно конст­ руктивно расположить с одного или двух торцов цилиндрического баллона многоразрядного цифрового устройства. 10 Многоразрядная лампа типа ИН-18 показана на рис. 5, а, а типа ИН-28А на рис. 5, б. в) Рис. 5. Многоразрядные катодолюминесцентные отсчетные устройства Катодолюминесцентные цифровые лампы допускают статиче­ ский и динамический режимы питания и управления. Поэтому при построении отсчетных устройств и систем с их использованием мо­ гут быть применены различные схемы формирования импульсов, управляющих свечением сегментов. Для нахождения оптимального режима управления характеристики цифрового устройства и управ­ ляющих электронных схем необходимо рассматривать в комплексе. Рис. 6. Схема управления катодолюминесцентных сегментных ламп статическим методом 11 Статический метод управления характеризуется наличием постоян­ ной информации о высвечиваемых цифрах с непрерывным выводом этой информации в каждом разряде, и его наиболее целесообразно ис­ пользовать в одноразрядных цифровых отсчетных устройствах. Число в какой-либо форме исчисления с выхода счетного устройства СУ по­ ступает на вход дешифратора ДШ, который преобразует код числа в код индикатора, соответствующего набору сегментов для высвечива­ ния цифры. Информация в коде индикатора с выхода дешифратора подается на соответствующие аноды-сегменты через анодные ключи КА в виде коммутирующего напряжения +Ua. Управляющую сетку лампы Л подключают к источнику +U„. Статический метод управления характеризуется малыми управ­ ляющими напряжениями и постоянным потреблением мощности. При статическом методе управления многоразрядным цифровым устройством управляющие сетки всех ламп подключают к источнику +{/д (рис. 6), при этом число межсхемных проводников соответствует числу выходов цифровых разрядов. Кроме того, для каждого разряда необходим полный комплект элементов управления (дешифраторов, ключей и т. д.), что существенно усложняет электронную схему. В связи с этим для управления многоразрядными цифровыми устрой­ ствами целесообразно использовать динамический метод, при кото­ ром обеспечивается стробоскопическое питание отдельных ламп и пространственное разделение каналов при выводе цифровой инфор­ мации заменяется временным разделением. Наиболее распростра­ ненным является динамический метод управления с последователь­ ной выборкой знакоместа (с поразрядным опросом) (рис. 7). Схема управления содержит коммутатор разрядов КР, коммутатор цифр КЦ, дешифратор цифр с формирователями ДШЦ, формировате­ ли сигналов ФС,...ФСп и катодолюминесцентные лампы Л,..Лп. Сигнал с первого выхода коммутатора разрядов одновременно с информацией в двоично-десятичном коде поступает на коммутатор цифр и затем на дешифратор, который преобразует двоично-десятичный код в код управления зажиганием сегментов цифровых ламп. Синхронно на управляющую сетку лампы Д приходит сигнал с формирователя ФС„ управляемого первым выходом коммутатора КР, и на лампе Д высвечивается соответствующая цифра. Так как остальные лампы заперты по управляющим сеткам, то будет светиться только лампа Д, хотя сигналы с выходов дешифраторов поступают параллельно на 12 все лампы При переходе коммутатора разрядов КР в следую­ щее состояние светится лампа Лг и т. д. 1 дши КР о у кц ---------т - ! .Г Рис. 7. Схема управления многоразрядных отсчетных устройств динамическим методом Частота повторения импульсов возбуждения из-за практически безынерционное™ свечения должна быть не менее 35...50 Гц для ис­ ключения заметного мелькания изображения и вследствие этого утомления оператора. Верхняя граница частоты коммутации опреде­ ляется длительностью переходных процессов в схеме управления и лампах, а также падением яркости изображения, связанным с увели­ чением числа разрядов. При использовании динамического метода управления следует принимать во внимание резкие зависимости потребляемого тока и мощности от напряжения анода ламп при постоянной яркости. Яр­ кость свечения возрастает с увеличением анодного напряжения, а при управлении импульсным напряжением средняя яркость изобра­ жения прямо пропорциональна максимальной мгновенной яркости и обратно пропорциональна скважности возбуждающих импульсов. Размеры высвечиваемых цифр в существующих катодолюми­ несцентных лампах не превышают 18...25 мм, что позволяет приме­ нять их в основном в индивидуальных устройствах отображения 13 цифровой информации или в системах, рассчитанных на удаление оператора от лицевой панели не более чем на 3...6 м. В катодолюминесцентных отсчетных устройствах с дискретно­ аналоговыми шкалами аноды выполняют в виде отдельных полос (отметок) с нанесенными на них люминофорами. Для уменьшения числа выводов из стеклянной колбы аноды могут быть объединены в несколько групп, а управляющая сетка разделена на соответст­ вующее число секций, при этом каждая секция имеет свой вывод. Адресация сигнала управления производится путем подачи потен­ циала на соответствующую группу анодов и секций сетки. В зависимости от расположения элементов дискретно-аналогового отсчетного устройства относительно лицевой панели возможны две модификации конструкции. Если аноды расположены на внутренней поверхности стеклянной пластины и выполнены из прозрачного мате­ риала, например двуокиси олова, то обеспечивается просмотр изобра­ жения отметок «на просвет» со стороны люминофора, противополож­ ной падению пучка электронов. Аноды удалены от лицевой поверхности, а к ней приближается катод; люминофор работает «на отражение». При работе счетного устройства «на просвет» увеличивается угол наблюдения, так как светоизлучающие анодные сегменты-отметки расположены не на передней плоскости панели, а углублены внутрь колбы. Однако яр­ кость изображения при этом снижается на 30...40 % по сравнению с яркостью при работе «на отражение». Катодолюминесцентные отсчетные устройства находят широкое применение в микрокалькуляторах, в сетевых и автомобильных элек­ тронных часах, в кассовых аппаратах, всевозможных табло, экранах и т. п. В частности, четырнадцатиразрядный цифровой индикатор ИН-27 используется в настольных микрокалькуляторах «Электрони­ ка СЗ-22», «Электроника МК-41», «Электроника МК-42». Новые не­ достатки катодолюминесцентных устройств: одноцветность изобра­ жения цифр и отметок шкалы, старение люминофоров, зависимость яркости свечения от длительности эксплуатации. 1.3. Электролюминесцентные отсчетные устройства и экраны Электролюминесцентные устройства в виде цифровых индикато­ ров, экранов и шкал основаны на способности кристаллических ве­ 14 ществ (электролюминофоров) светиться при возбуждении электриче­ ским полем. толщине электролюминесцентного слоя для увеличения электрической прочности между ним и металлическим электродом часто наносят до­ полнительный слой двуокиси титана или титаната бария. Форма элек­ тродов может быть различной: узкие волоски, образующие одномер­ ную шкалу или двумерную матрицу; фигурные электроды-сегменты, из которых синтезируются цифры; электроды в виде отдельных цель­ ных цифр. Возбуждающее напряжение прикладывается между метал­ лическим электродом и прозрачным проводящим покрытием, свечение наблюдается со стороны стекла. По виду используемого активного материала различают порошко­ вые и пленочные электролюминесцентные устройства. Порошковые электролюминесцентные устройства с электролюминофорами на ос­ нове сульфида цинка или твердого раствора сульфида селенида цин­ ка наиболее известны и широко применяются в устройствах отобра­ жения информации. Электролюминофоры этой группы представляют собой мелкокристаллические порошки сульфида цинка с содержани­ ем меди от 0,05 до 0,2 % (по массе). Изменение содержания меди в люминофорах позволяет получить свечение с синим, голубым и зе­ леным цветом (с промежуточными оттенками). Вместе с медью в сульфид цинка могут вводиться различные добавки, влияющие на цвет свечения, яркость и другие характеристики электролюминофо­ ров. В частности, введение марганца около 1 % позволяет получить электролюминофоры с желтым цветом свечения. Замена сульфида цинка селенидом дает электролюминофоры с оранжевым и красным цветом свечения. При нанесении покрытий с порошковыми электро­ люминофорами в качестве связующего материала используют ди­ электрики на основе лаков ЭП-96и ВС-530. Применяемые в про­ мышленности методы получения электролюминесцентных порошко­ t . t t t { Главным элементом всех электролюминесцентных уст­ ройств является плоский конден­ сатор (рис. 8). На поверхность стеклянной пластинки 1 наносят прозрачный электрод 2, напри­ мер из оксида олова, электролю- минесцентный слой 3 и метал­ лический слой 4. При небольшой 2 3 Рис. 8. Конструктивная схема электро- люминесцетного устройства 15 вых покрытий, из которых наиболее известными и распространен­ ными являются методы пульверизации и литьевой, позволяют полу­ чить достаточно однородные, но довольно толстые слои электролю­ минофора толщиной 20...70 мкм. Это обусловливает необходимость применения высокого рабочего напряжения питания (100...250 В) для получения достаточной яркости свечения. Пленочные электролюминесцентные устройства отличаются от по­ рошковых способом формирования электролюминесцентного слоя. Вакуумные методы позволяют получить однородные электролюми­ несцентные пленки толщиной от нескольких десятых до 5... 10 мкм. Характерной особенностью пленочных электролюминесцентных уст­ ройств по сравнению с порошковыми является наиболее низкое напряжение питания. У различных типов этих устройств оно составляет 10...50 В. Для возбуждения свечения электролюминофоров используют переменное синусоидальное, постоянное и импульсное напряжение. Вольт-яркостная характеристика порошковых электролюминес­ центных устройств переменного тока (зависимость яркости свече­ ния от напряжения) имеет вид в * и ° , при этом коэффициент нелинейности о = 2...5. Зависимость яркости свечения от частоты переменного напря­ жения определяется в виде B = B J \ где т] зависит от типа люминофора. Для частот порядка килогерц т| = 1. Порошковые электролюминесцентные устройства переменного тока обычно питают от промышленной частоты 50 и 400 Гц от спе­ циальных преобразователей частоты 1200 Гц при номинальном на­ пряжении 220 В. По яркостным характеристикам электролюминес­ центные устройства с различным цветом свечения разделяют на группы по яркости. Однако для такого устройства существует наи­ более эффективный режим питания по частоте и напряжению, обеспечивающий требуемый уровень яркости свечения при мини­ мально потребляемой мощности, что в ряде случаев является важным 16 при проектировании систем отображения информации. Установлено, что чем выше частота питания, тем ниже начальное значение напря­ жения, обеспечивающего заданный уровень яркости. Но повышение частоты питания ограничивается допустимой температурой нагрева электролюминесцентных устройств, которая при сохранении уровня яркости свечения возрастает с ростом частоты из-за увеличения мощ­ ности потерь. В устройствах с сегментами в виде длинной светящейся полосы повышение частоты питания может дополнительно привести к неравномерному свечению сегмента по его длине вследствие падения напряжения вдоль сегмента. Порошковые электролюминесцентные устройства, возбуждаемые постоянным электрическим полем, по сравнению с порошковыми ЭЛУ, работающими на переменном напряжении, обладают более вы­ сокой яркостью свечения (до 1 ООО кд/м2 при напряжении 100 В и толщине слоя 100 мкм), имеют более высокую вольт-яркостную ха­ рактеристику (о ~ 7), лучшую четкость изображения. Кроме того, питание постоянным током позволяет упростить схему коммутации элементов электролюминесцентного устройства. Основным недос­ татком является чувствительность электролюминофоров к атмосфер­ ной влаге, что требует более тщательной герметизации электролю­ минесцентного устройства. Отечественная промышленность выпускает электролюминофоры постоянного тока двух типов. Люминофоры первого типа имеют по­ казатель вольт-яркостной характеристики, равный 7, их приготовля­ ют на основе сульфида цинка, активированного марганцем и медью. При толщине слоя 300 мкм яркость свечения люминофоров 800... 1000 кд/м2 при напряжении 200 В и плотности тока 20 А/см. Люминофоры второго типа отличаются высокой яркостью свечения при относительно низких напряжениях, но имеют меньшее значение показателя а. Они синтезированы на основе селенида цинка или твердого раствора сульфида и селенида цинка, активированного мар­ ганцем или медью. Большое практическое значение имеет импульсное возбуждение электролюминесцентных устройств. Такой режим работы характерен Для работы многоэлементных устройств, таких, как сегментные циф­ ровые индикаторы, матричные и мозаичные экраны и др. При им­ пульсном возбуждении пленочных электролюминесцентных уст- 17 вдвое по сравнению со статической. Яркость электролюминесценции в импульсном режиме зависит от скважности следования импульсов, которая, в свою очередь, определяется числом коммутируемых под напряжением элементов электролюминесцентных устройств. Поэтому импульсный режим питания в каждом конкретном случае должен оп­ ределяться совокупностью двух параметров: длительностью импульса и скважностью. Пленочные ЭЛУ в импульсном режиме имеют следующие экспе­ риментальные значения основных параметров: напряжение питания 50...100 В; плотность тока 15...30 мкА/мм2; светоотдача 0,2...0,3 лм/Вт; длительность импульса 5...20мкс; частота следования импульсов 3...10 кГц; яркость после 1000 ч работы 50... 180 кд/м2; расчетная яр­ кость после 10000 ч работы 30...80 кд/м2. Электролюминесцентные цифровые отсчетные устройства вы­ полняют в виде отдельных сборочных единиц (рис. 9), в которых стек­ лянная пластинка 2 со сплошным прозрачным электродом, непрозрач­ ные электроды-сегменты 5, находящийся между ними диэлектрик с распределенными в нем кристаллами электролюминофора, располо­ жены внутри герметизированного корпуса 1. Выводы 4 соединены с соответствующими сегментами, а для крепления корпуса используют крепежные втулки 3. Корпус изготовляют из материала типа АГ-4, об­ ладающего высокой механической прочностью, влагостойкостью и коэффициентом термического расширения, близким к коэффициенту расширения стекла. Качество герметизации, особенно для пленочных конструкций, во многом определяет долговечность работы устройства, так как при проникновении влаги происходят необратимые изменения свойств электролюминофоров, что приводит к резкому спаду яркости свечения или даже полному выходу устройства из строя. Рис. 9. Электролюминесцентные цифровые модули 18 Электролюменисцентные цифровые устройства могут выпускать­ ся разных размеров и конструкций. Однако для удобства исполнения и с целью унификации выделены несколько типоразмеров, освоен­ ных в промышленных масштабах. В зависимости от площади ин­ формационного поля они условно могут быть разделены на три кате­ гории: малые - до 30 хЗО мм, средние - до 150 х 150 мм и большие - свыше 150 х 150 мм. Существующие типовые конструкции входят в первые две категории, а третью категорию обычно составляют узко­ специализированные устройства. Наиболее широкое применение по­ лучили устройства среднего размера (IV...XII), некоторые типовые конструкции которых показаны на рис. 9, б, в. Важной задачей при практическом использовании электролюми­ несцентных устройств является повышение контраста изображения в условиях нормальной и повышенной освещенности, когда яркость фо­ на значительно возрастает в результате отражения и рассеяния внеш­ него света. Увеличение контраста может быть достигнуто в результате увеличения яркости свечения, уменьшения полного коэффициента от­ ражения в конструкции самого электролюминесцентного устройства, применения специальных защитных козырьков или щитов, использо­ вания цветных светофильтров и др. Первый способ трудно реализуем, так как яркость существующих элекгролюминофоров при различных условиях возбуждения ограничена их световой отдачей. Уменьшение полного коэффициента отражения с 34 % (серийная конструкция) до 6% за счет применения специальных материалов, просветляющих пленок и поглощающих слоев позволяет использовать электролюми- несцентное устройство с повышенным контрастом в условиях внеш­ ней освещенности до 5000...6000 лк. Значительное увеличение яркост- ного и цветового контраста возможно, если внешний свет пропускать через оранжевые светофильтры, а перед панелью с зеленым цветом свечения установить зеленый фильтр. Выбор цвета свечения цифр зависит от конкретных условий эксплуа­ тации цифрового отсчетного устройства. В одних случаях необходимо выбрать цвета, обеспечивающие наиболее точное и быстрое считывание цифровой информации, а в другом - выбрать ряд цветов, резко отли­ чающихся друг от друга и обеспечивающих необходимый или требуе­ мый контраст изображения цифр. Оптимальным цветом для высвечива­ ния цифровой информации является желто-зеленый цвет с длинами волн 0,5...0,57 мкм, характеризующийся максимальной видимостью, 19 обеспечивающий максимальную скорость и точность считывания и вы­ зывающий наименьшее утомление оператора. Близким к оптимальному по спектральным характеристикам является зеленый цвет свечения электролюминофоров ЭЛ-516 и ЭЛ-5 ЮМ при возбуждении от источни­ ка синусоидального напряжения частотой 400...1200 Гц. В связи с этим цифровые устройства на указанных люминофорах имеют яркость, зна­ чительно превосходящую яркость устройств с голубым, желтым и крас­ ным свечением цифр, и их наиболее широко применяют в различных электролюминесцентных отсчетных устройствах. Цифровые устройства, изготовленные на основе электролюми­ нофора ЭЛС-455 с голубым цветом свечения, характеризуются ма­ лой насыщенностью цвета, а индикаторы с желтым цветом свечения рекомендуют применять при необходимости выделения определен­ ных цифр на информационном табло. Использование насыщенного синего и красного цветов для отображения цифровых данных неже­ лательно из-за хроматической аберрации глаза, которая заметно сказывается на краях видимого диапазона оптического спектра. Целесообразность использования комбинаций электролюминес­ центных устройств с различным цветом свечения для кодирования информации может быть оценена путем определения цветовых кон­ трастов по равноконтрастному цветовому графику. Для цветового ко­ дирования минимальный цветовой контраст одновременно рассматри­ ваемых изображений должен составлять не менее 5...7 цветовых поро­ гов. Учитывая, что для цветового кодирования информации обычно применяют 3...4 тона, целесообразно использовать сочетания цветов, обеспечивающих максимальное значение цветового контраста, напри­ мер, с зеленым, синим и красным (желтым) свечением. При таких со­ четаниях цветовой контраст любой пары будет не ниже 15. Одним из наиболее простых и эффективных способов обеспечения стабильных условий наблюдения информации, постоянства контраста изображения во времени является режим постоянной яркости. Он за­ ключается в выборе таких значений возбуждающего напряжения (при постоянной частоте), которые позволяют поддерживать яркость свече­ ния цифр в течение всего срока эксплуатации на одном и том же уров­ не. При таком режиме питания в начальный период эксплуатации ам­ плитуду возбуждающего напряжения выбирают ниже номинальной, а затем по мере старения люминофора ее повышают до уровня, не пре­ вышающего пробивного напряжения для конкретного типа электро- люминесцентного устройства. В результате оно значительную часть времени работает при пониженном напряжении, старение люминофо­ ра происходит медленнее, долговечность его увеличивается. 2 0 Работа электролюминесцентного устройства в режиме постоян­ ной яркости особенно целесообразна в том случае, когда на одной информационной панели расположено большое число отдельных электролюминесцентных отсчетных устройств, имеющих в общем случае различные эксплуатационные характеристики. Практически одинаковую яркость свечения и равный контраст изображения от­ дельных отсчетных устройств, расположенных в разных местах ин­ формационной панели, обеспечивают индивидуальным или группо­ вым регулированием уровня питающего напряжения. В настоящее время ступенчатое повышение напряжения осуществляют переклю­ чением секционированной обмотки выходного трансформатора ис­ точника питания по субъективной оценке спада яркости. Однако наилучшая стабилизация уровня яркости электролюминесцентного устройства в процессе эксплуатации может быть достигнута только в случае, когда напряжение повышается с закономерностью, соот­ ветствующей характеристике старения электролюминофоров в дан­ ных условиях эксплуатации. Электролюминесцентные экраны относятся к универсальным ти­ пам индикаторов и позволяют отображать на одном знакоместе знаки и символы любой формы, в том числе и цифровую информацию. S 4 Рис. 10. Конструктивная схема электролюминесцентного экрана Мозаичные экраны выполняют в виде совокупности располо­ женных в одной плоскости малогабаритных электролюминесцент­ ных устройств одного или нескольких цветов свечения. Они могут иметь достаточно высокую яркость свечения и конграст изображе­ 21 ния, но громоздкие сложные схемы управления и коммутации су­ щественно ограничивают их практическое применение. Матричные электролюминесцентные экраны построены по прин­ ципу возбуждения светящегося элемента на перпендикулярном пере­ сечении вертикальных и горизонтальных электродов. В простейшем матричном экране (рис. 10) слой элекгролюминофора 3, нанесенный на стеклянную пластинку 1, расположен между двумя взаимно пер­ пендикулярными системами узких горизонтальных 2 и вертикальных 4 шин-электродов. В местах пересечения электродов образуются ми­ ниатюрные электролюминесцентные конденсаторы, составляющие в совокупности растр из элементарных ячеек 5. Минимальное расстояние между параллельными электродами должно быть больше толщины электролюминесцентного слоя, что­ бы электрическое поле между соседними электродами не привело к явлению электролюминесценции в зазорах между ними. Мини­ мальная ширина ограничена условием получения однородного све­ чения отдельной ячейки и должна намного превышать средний раз­ мер зерен электролюминофора. При построении экранов на порош­ ковых электролюминофорах максимальная плотность шин 2 или 3 на 1мм, а при использовании пленочных электролюминофоров плотность может быть значительно увеличена. Возбуждение свечения необходимой ячейки матричного экрана производится одновременной подачей напряжения на электроды, между которыми она располагается. Так как в матричных экранах изображение высвечивается не одновременно по всему информаци­ онному полю, а поэлементно или построчно, то необходимо повы­ шать максимальную яркость свечения электролюминофоров по сравнению с сегментными цифровыми электролюминесцентными устройствами. Для того, чтобы матричные экраны были пригодны­ ми для широкого применения в условиях нормального или повы­ шенного внешнего освещения, требуются люминофоры с большой яркостью свечения. В табл. 1 приведены усредненные данные по результатам измерений яркости свечения усовершенствованных промышленных электролюминофоров при различной частоте пи­ тающего напряжения 220 В. 2 2 Т а б л и ц а 1 Яркостные характеристики усовершенствованных электролюминофоров Электролю­ минофор Цвет свечения Яркость, кд/м , при частоте, Гц 50 400 1000 ЭЛ-525-С Зеленый 7...10 76... 100 140...250 ЭЛС-510-В Зеленый 9...15 76...125 130...230 ЭЛ-465 Г олубой 4...5 30...45 Vt 0 ! оо 1 о 1 ЭА-570М Желтый 7...10 70...110 О ! »—« i . i о3 ЭЛС-670-И Красный 0,6...1 8...12 17...30 —— т — г ♦ — S — РС M 0L -О в + й »- * А * Ъ т‘ к ! У н — ffJy 1 -------------п ДШ - Mil II М П II вк -J 1/ и ь U 1* и&г ой Рис. 11. Схема управления электролюминесцентным матричным экраном 23 В типовой схеме управления электролюминесцентным матрич­ ным экраном (ЭЛМЭ) с построчным режимом возбуждения отдель­ ных ячеек (рис. 11) генератор строчных импульсов ГИ выдает импуль­ сы с периодом Т на сдвигающий регистр строк РС, который последо­ вательно и поочередно открывает на время Т строчные транзисторы Ti...Ts. В результате сгроки матрицы по одной подключаются к отри­ цательному полюсу источника питания Еэ. Формирование изображе­ ния элементов осуществляется схемой коммутации столбцов. На блоке удвоения БУ имеются шесть шин, каждая из которых может быть в двух состояниях: подключенной к минусу источника Ес или непод­ ключенной к нему. Блок удвоения имеет на выходе 12 шин, соединен­ ных с дешифратором ДШ. Число возможных комбинаций 26 = 64 оп­ ределяет количество шин на выходе дешифратора, а каждый входной код соответствует подаче напряжения из дешифратора только на од­ ну из 64 шин, соединенных с постоянным запоминающим устройст­ вом ПЗУ. Одновременно из регистра строк РС в запоминающее уст­ ройство поступает та же серия импульсов, которая используется для управления транзисторами Ть . .Т5. Запоминающее устройство выдает на транзисторы Т6...Т10последовательность отпирающих импульсов длительностью Т, соответствующую введенному коду. В результате отдельные элементы панели возбуждаются в заданной последова­ тельности и наблюдается изображение цифр, состоящее из отдель­ ных светящихся элементов. В работе описан электролюминесцентный модуль матричного типа с числом элементов разложения 35(5 х 7). При разработке мо­ дуля использовались люминофоры ЭЛ-570 и ЭЛ-516 при синусои­ дальном и импульсном режимах возбуждения. Напыление электро­ люминесцентных слоев проводили на контрастное стекло с коэф­ фициентом пропускания 0,5. Режимы напыления обеспечивали по­ лучение равномерных по толщине слоев с пробивным напряжением не менее 400 В. Размеры модуля 38 х 54 мм. В макете низковольтного матричного экрана использовали люми- несцирующие в постоянном электрическом поле пленки, полученные сублимацией в вакууме Cu2S и ZnS, легированные Си, Мл и С/. Экран имеет 5x 5 элементов по 0,45 мм2 каждый. Поле изображения 6 x 7 мм. При одновременном возбуждении всех элементов экрана импульсным напряжением 25...30 В длительностью 50..10мкс при скважности, 24 равной 5, эффективная яркость экрана около 10 кд/м2, а средняя по­ требляемая мощность 20...50 МВт. Создание матричных экранов с большим числом коммутирующих элементов при средней яркости 30 кд/м2, коэффициенте контраст­ ности 0,5 в условиях внешней ос­ вещенности до 3000 лк возможно на основе высококонтрастных пленоч­ ных электролюминесцентных излуча­ телей большой яркости (до 104 кд/м2) и с сильно нелинейной вольт- яркостной характеристикой, о > 20. В электролюминесцентной структуре Sn02 + ZnS: Mn (Cl) + Si02 + А1 на основе пленок ZnS: марганцевая тон­ кая диэлектрическая прослойка Si02 заменена прослойкой из окиси иттрия Y20 3, толщина которой сравни­ ма с толщиной электролюминесцентной пленки. На рис. 12 приведены вольт-яркостные характеристики трех типов структур с толщиной пленки- 0,5 мкм: 1 - с одним слоем Si02 (0,02мкм) в качестве диэлек­ трической прослойки (исходная структура); 2 - с одним слоем Y20 3 толщиной 0,2 мкм (Sn02 + ZnS: Mn (Cl) + Y20 3 + Al); 3 - с двумя та­ кими слоями, расположенными по обе стороны от электролюминес­ центной пленки (Sn02 + Y20 3 + ZnS: Mn + Y20 3 + Al). В области высо­ ких яркостей (100...1000 кд/м2) степень нелинейности характеристики: для первой структуры - 7...8, для второй - 9... 10, для третьей - 17...25. Максимальная яркость для тех же структур равна 1000... 1300, 2000...2500 и 4000... - 5000 кд/м2 соответственно. Для повышения кон­ трастности структур в условиях высокой внешней освещенности перед верхним металлическим электродом помещали слой диэлектрика тол­ щиной около 0,2 мкм. На основе указанных выше структур изготовле­ ны матричные экраны с числом элементов 40 х 50, работающие в им­ пульсном режиме возбуждения. Анализ характеристик экрана показы­ вает возможность создания устройств с числом элементов 500 х 500. Электролюминесцентные шкалы находят широкое применение в качестве отсчетных устройств в различных электроизмерительных приборах. в. *0/пг ристики пленочных электролюми­ несцентных излучателей 25 Вертикальные или горизонтальные шкалы размещают на элек­ тролюминесцентных индикаторных панелях (рис. 13). Панель мо­ жет содержать постоянно светящиеся главные деления шкалы с цифровыми указателями. Рядом с этой шкалой размещен столбик горизонтально расположенных дискретных электролюминесцент­ ных элементов, число которых определяет точность отсчета. Управ­ ление элементами осуществляется с помощью схемы коммутации, которая преобразует входной аналоговый сигнал в дискретный. В зависимости от используемой схемы и значения измеряемой вели­ чины может изменяться высота светящегося столбика или переме­ щаться одна светящаяся метка (индекс) при поочередном высвечи­ вании отдельных элементов. Отметки шкал могут быть выполнены из электролюминофоров различного цвета свечения, что удобно при оценке предельных значений измеряемого параметра. . IОтсчет овйен ? 5 t i> Si Рис. 13. Электролюминесцентные шкалы 26 Электролюминесцентные шкалы применяют и в стрелочных электроизмерительных приборах. Их использование особенно эф­ фективно в многопредельных и многошкальных приборах, когда при переключении пределов измерений высвечивается только та шкала и те ее цифровые отметки, которые необходимы для кон­ кретных измерений. Шкалы могут быть изготовлены из электро­ люминофоров различного цвета. На рис. 13, б, например, конфигу­ рация прозрачного электрода шкалы показана штриховыми линия­ ми, а непрозрачного - сплошными тонкими линиями. Отметки шкал и соответствующие цифры выполнены в виде отверстий в слое ди­ электрика, расположенного между электролюминесцентным слоем и непрозрачным электродом. В милливольтметре Ф5090 и других электроизмерительных при­ борах используют матричные электролюминесцентные устройства с поразрядным отсчетом и двумя шкалами: десятков Ш1 и единиц Ш2 (рис. 13, в). Рабочая часть матрицы содержит десять строк и десять столбцов, позволяющих сформировать 100 отсчетных элементов (ячеек) и обеспечить погрешность отсчета 1 %. При подаче сигналов, действующих на соответствующие столбцы и строки, формируется изображение в виде светящегося горизонтального «столба» и светя­ щейся риски, дискретно перемещающейся в направлении, перпенди­ кулярном к оси «столба». Длина «столба» пропорциональна едини­ цам входного измеряемого параметра (напряжения), а положение риски определяет десятые доли' единиц светящегося «столба». Блок управления вырабатывает напряжения +180, +200, +220 и +240В для питания электролюминесцентной шкалы. Каждое последующее из четырех напряжений подключается по мере уменьшения яркости свечения ячеек шкалы во время ее эксплуатации, что обеспечивает работу шкалы в режиме постоянной яркости. 1.4. Отсчетные устройства и матрицы на светоизлучающих диодах Физической основой для конструирования современных полупро­ водниковых отсчетных устройств на светоизлучающих диодах с вы­ сокими энергетическими и световыми параметрами является излуча- тельная рекомбинация экситонов, электронов и дырок в объеме «ак­ тивной области» р - «-структуры при инжекции неосновных носите­ 2 7 лей заряда через гомогенный или гетерогенный /?-и-переход под дей­ ствием напряжения, приложенного в прямом направлении. Светодиоды для видимого излучения изготовляют главным обра­ зом из монокристаллов материалов типа АШВУ фосфида галлия (GaP), арсенида галлия (GaAs) и более сложных соединений GaAsi.KPx (арсе- нида-фосфида галлия), Gai.xAlxAs (галлия-алюминия-арсенида), где х - доля содержания того или иного элемента в соединении. Для индикаторов красного цвета свечения отечественная про­ мышленность выпускает два основных типа структур: GaAs0,ePo,4 (на подложках GaAs) и+-п-типа и Gao,65Alo,35As (на подложках GaAs) р+-р!-р2-п-типа. Первая структура характеризуется высокой эффек­ тивностью, отработанной технологией изготовления и в настоящее время является основным материалом для массового производства всех имеющихся разновидностей цифровых и дискретно-аналоговых отсчетных устройств. Вторая структура обладает в 4...6 раз большим квантовым выходом, но из-за высокой активности алюминия она по­ лучается только методом жидкостной эпитаксии, что не обеспечивает достаточно высокую степень однородности параметров по поверхно­ сти и обусловливает высокую стоимость изготовления. На основе структуры GaAsi_xPx разработаны и освоены, в частности, цифровые устройства красного цвета свечения АЛС313А и АЛС323А, широко применяемые в электронных наручных часах, многоразрядные циф­ ровые устройства типа АЛС318, используемые в многоразрядных микрокалькуляторах. Для цифровых устройств желтого цвета свечения применяют следующие типы: GaP (на подложке GaP) п+-п-р-типа, легирован­ ная N и Zn + О; GaAs o.nPo.ss (на подложке GaP) п+-п-типа; In0,iGa0,7P (на подложке GaP) п+-п-типа, которая обладает в 1,5...2 раза большим квантовым выходом по сравнению со структу­ рой GaAs0>i5Po,85 и считается перспективной для промышленного использования. Кроме указанных материалов для получения изо­ бражения цифр желтого цвета используют карбид кремния SiC, на основе которого разработаны одноразрядные цифровые светодиоды типов КЛ104А, КЛ105 и КЛ114 и существует небольшая серия пло­ ских цифровых устройств типа ЭЛЦИЖ, имеющих семь сегментов в разряде. Обозначение 05 соответствует климатическому исполне­ нию и категории жесткости. 28 Для цифровых устройств зеленого цвета свечения практически единственным материалом, имеющим промышленное использова­ ние, является структура GaP (на подложке GaP) п+-п-р-типа. Конструкции цифровых устройств на светодиодах и их отдельных элементов разрабатываются на основе параметрического ряда по вы­ соте знака для полупроводниковых знаковых индикаторов, при этом остальные размеры, например форма и ширина цифры, являются про­ изводными параметрами. Заданные размеры и конфигурация светя­ щихся элементов, их число и взаимное расположение, размеры поля изображения обеспечиваются либо определенной топологией светя­ щихся элементов монолитного полупроводникового кристалла (моно­ литная конструкция), либо определенным размещением одноэлемент­ ных или многоэлементных кристаллов на основании и других деталях корпуса (гибридная конструкция). Монолитные конструкции цифровых отсчетных устройств на светодиодах с высотой знака до 5 мм являются наиболее массовы­ ми. Их основные области применения: карманные микрокалькуля­ торы, электронные наручные часы, электронные секундомеры и другие портативные отсчетные устройства с автономным питанием. Для изготовления кристаллов всех типов монолитных конструк­ ций разработана базовая планарная технология, позволяющая с по­ мощью локальной диффузии акцепторов (цинка) в эпитаксиальные структуры формировать излучатели любой формы и размеров, в частности, сегменты цифровых отсчетных устройств, расположен­ ные в линию отметки и т. д. При проектировании кристалла цифрового устройства (рис. 14) длина сегмента определяется требованиями к высоте цифры, а ши­ рина сегмента может изменяться в пределах от 80 до 120 мкм в за­ висимости от размера кристалла. Планарные контакты к излучающим элементам монолитного кри­ сталла имеют гребенчатую структуру. Контактные площадки вынесе­ ны за />-я-переход и располагаются на диэлектрике над материалом «-типа. Планарные конструкции на светодиодах отличаются высокой надежностью, однородностью свечения элементов, возможностью создания большого числа светящихся элементов любой конфигурации с любыми размерами, четко очерченной выбранной конфигурации цифр. Однако относительно большой расход полупроводниковых ма­ териалов при малой плотности элементов изображения ограничивает возможность получения монолитных кристаллов с большой высотой цифр. Типовые размеры рабочего кристалла светодиода 0,34 х 0,34 до 2 9 0,5 х 0,5 мм, а максимальный размер кристалла монолитного цифрово­ го индикатора не превышает 3 x 2 мм2. AL SLjNif SLO Sl^Ntf _ А \ / I п + A u :6 e :N l :A u Рис. 14. Кристалл цифрового светодиода Монолитные цифровые устройства на светодиодах конструктив­ но изготовляют в бескорпусном исполнении или в герметичном корпусе. Бескорпусные монолитные кристаллы предназначены в основном для использования в гибридных конструкциях отсчетных устройств, и наиболее широко их применяют в производстве элек­ 30 тронных часов. Их монтаж осуществляют с помощью стандартных операций электронной техники. Разработанные бескорпусные мо­ нолитные отсчетные устройства достаточно разнообразны: от про­ стейших 7-сегментных (AJ1C313A-5) и 9-сегментных (AJIC322-5 и АЛС323А-5) цифровых индикаторов до 100-элементных дискретно­ аналоговых отсчетных устройств. Для одноразрядных и многораз­ рядных монолитных отсчетных устройств на светодиодах с высотой знака 2,5-5 мм наибольшее распространение получили следующие конструкторско-технологические схемы герметичных корпусов. Полые керамические корпуса со стеклянной крышкой (рис. 15, а). Такая конструкция в наибольшей степени удовлетворяет требованиям механического и климатического воздействия, и она использована, в частности, в многоразрядном цифровом устройстве АЛС339. Выводы расположены на нижнем основании корпуса в два ряда с расстоянием 2,5 мм между выводами и между рядами выводов, что сокращает объем монтажного пространства и позволяет применять групповые методы пайки на печатные платы. Рамочная конструкция с металлической рамкой и прозрачной пла­ стмассовой линзой, формируемой в процессе герметизации корпуса (рис. 15, б) (АЛС311, АЛС328, АЛС329, АЛСЗЗО). В многоразрядных цифровых устройствах линза формируется над каждым кристаллом. Шаг между цифрами разрядов 2,75 мм (АЛС311, АЛС328, АЛС329) и 5 мм (АЛСЗЗО). Выводы отогнуты вниз и образуют два ряда с шагом 2,5 мм между выводами и 7,5 мм между рядами выводов, что допускает монтаж конструкций в стандартные контактные размеры или в печат­ ные платы с использованием групповых методов пайки. Рамочная кон­ струкция обеспечивает хорошую защиту от воздействия механических и климатических факторов и позволяет набирать отдельные ячейки в строку с сохранением шага между цифрами разрядов. Жесткое керамическое или стеклотекстолитовое основание и моноблочная линза, механически закрепленная на основании (рис. 15, в). Такой корпус имеет цифровой индикатор АЛС318, вы­ полненный в виде сборки на общей плате девяти кристаллов с ша­ гом 5 мм. Линзовая крышка крепится так, что над каждым кристал­ лом располагается соответствующая линза. Контактные площадки с металлизированными отверстиями размещены на нижней стороне платы с шагом 2,5 мм, что позволяет монтировать конструкцию групповой пайкой или с помощью разъема. 31 Рис. 15. Корпуса монолитных цифровых устройств на светодиоде Для герметизации корпусов моноблочных устройств на светодио­ дах применяют полимерные материалы. В полых керамических кор­ пусах стеклянные крышки приклеивают клеем марки КП с темпера­ турой плавления 120°С и прочностью клеевого шва при температуре 20°С не менее 500 Н/см2. Герметизацию рамочной конструкции с об­ разованием пластмассовой линзы проводят оптически прозрачным компаундом типа ОП-ЗМ, который имеет коэффициент преломления 1,48 и полимеризуется в форме в течение 2 ч при температуре 125°С. Сила света в бескорпусных цифровых устройствах и в корпусах без линз практически точно соответствует силе света кристалла. Из кри­ сталла плоской конструкции выходят только те лучи, которые с нор­ малью к поверхности кристалла образуют угол 9 < arcsin (Ni / N2), где N2 - показатель преломления материала кристалла; Ni - показатель 32 преломления окружающей среды. Остальные лучи не выходят из кри­ сталла из-за полного внутреннего отражения на границе раздела кри­ сталл - среда. Для фосфида галлия и арсенида галлия в воздухе световое излучение выходит в виде конуса с углом при вершине не более 35°С. Использование в конструкции цифровых устройств линзовых элементов изменяет силу света и диаграмму направленности выхо­ дящего излучения и увеличивает размер изображения цифры. Форму полимерной линзы выбирают из условия, чтобы излучающий кри­ сталл располагался между фокусом преломляющей поверхности, об­ разованной полусферической линзой, и центром кривизны линзы. При использовании рамочной конструкции с пластмассовыми лин­ зами (рис. 15, б) кристалл оказывается погруженным в материал линзы, имеющей показатель преломления, промежуточный между воздухом и кристаллом. При этом в зависимости от размеров линзы увеличение ли­ нейного размера цифры составляет 1,3... 1,7, увеличение силы света 1,7...2,5, угол наблюдения ± 20°. При использовании внешних моно­ блочных линз (рис. 15, а) возможно улучшение характеристик линз и конструирования отсчетных устройств с лучшими характеристиками: увеличением линейного размера цифр 2.. .2,5, силы света 3.. .5 раз. Бескорпусные и моноблочные одноразрядные отсчетные устрой­ ства на светодиодах имеют как минимум 9 выводов: один от общего катода и 8 от анодов-сегментов и децимальной точки. Такая схема выводов допускает работы как в статическом, так и в динамическом режимах управления. Для управления одноразрядными цифровыми устройствами на светодиодах в статическом режиме предназначена схема управления К514ИД-1. Все типы многоразрядных отсчетных устройств собраны по матричной схеме, допускающей работу толь­ ко в динамическом режиме: общие катоды каждого кристалла име­ ют отдельные выводы, а аноды одноименных элементов различных кристаллов присоединены к общей шине. Общее число выводов равно Np + 8, где Np - число катодных выводов по числу кристаллов (разрядов), а число 8 соответствует анодным выводам семи сегмен­ тов и децимальной точке. Специальные схемы для управления мно­ горазрядными цифровыми устройствами на светодиодах в динами­ ческом режиме не выпускаются, так как они входят в состав кри­ сталла БИС приборов, в которых такие устройства используются (электронные часы, секундомеры, микрокалькуляторы, мультимет­ ры и т. д.). В то же время возможно построение схемы управления 33 для динамического режима работы на основе стандартных инте­ гральных микросхем, которая принципиально не будет отличаться от рассмотренной ранее схемы применительно к многоразрядным катодолюминесцентным отсчетным устройствам. Гибридные конструкции отсчетных устройств на светодио­ дах широко используют для отображения цифровой информации при высоте цифр более 5 мм. По способу формирования сегментов они разделяются на две группы. Рис. 16. Гибридные конструкции цифровых устройств на светодиодах К первой группе относят простую гибридную конструкцию с набо­ ром одноэлементных кристаллов 1 (рис. 16, а), расположенных на ос­ новании-держателе 2, который может быть помещен в полый герме­ тичный корпус с окном или залит оптически прозрачной пластмассой 3. Особенность такой конструкции заключается в том, что размеры светящихся сегментов, их взаимное расположение, размеры и конфи­ гурация цифр однозначно определяются соответствующими размера­ 34 ми и расположением кристаллов-излучателей. На основе такой конст­ рукции выполнены цифровые индикаторы AJI304 и AJI305. Основные недостатки конструкции: большой расход полупроводниковых мате­ риалов при больших размерах цифр (AJ1305) и большая трудоемкость сборки с малыми размерами поля изображения (AJI304). Вторую, наиболее распространенную группу гибридных конст­ рукций составляют отсчетные устройства, работающие по принципу рассеяния света. В таких конструкциях полупроводниковые кристал­ лы-излучатели с малыми размерами (около 0,4 х 0,4 мм) помещают в светорассеивающие полости световода. Оптическое преобразование изображения точечного источника света - кристалла в изображение светящегося сегмента осуществляется в результате многократного рассеяния света внутри каждой из полостей, оптически изолирован­ ных друг от друга. Размеры и конфигурация сегментов и цифр опре­ деляются размерами и конфигурацией световодов. В устройствах, работающих по принципу рассеяния света, существенно снижается расход полупроводниковых материалов, они имеют хорошие эргоно­ мические характеристики и являются основой для цифровых индика­ торов с высотой цифр более 7 мм и модулей экранов. Основные конструктивные схемы гибридных устройств, рабо­ тающих по принципу рассеяния света, показаны на рис. 16, б, в, г. Кристалл 1 закреплен на держателе 2. Излучаемый кристаллом свет многократно отражается зеркальными поверхностями 3 пустотелого конуса 4 (рис. 16, в), попадает в светорассеивающую пленку 5, мно­ гократно в ней рассеивается и выходит наружу через прозрачную крышку-корпус 6. Равномерность свечения сегмента определяется способом изготовления рассеивающей пленки. Она может быть вы­ полнена в виде плоской рассеивающей или прозрачной с рельефной поверхности пластмассовой пластинки. На основе такой конструк­ ции выполнен цифровой индикатор AJIC309. Для получения высо­ кого коэффициента отражения на стенки корпуса наносят высоко- отражающее металлическое покрытие или применяют белые пласт­ массовые отражатели с коэффициентом отражения 0,9...0,95 в ши­ рокой области видимого диапазона спектра. В конструкции, показанной на рис. 16, г, держатель 2 с кристал­ лом ] расположен внутри светорассеивающего материала 5, который заполняет корпус 3 с зеркальными отражающими поверхностями 4. В такой конструкции возможно возникновение больших механических 35 напряжений, обусловленных несогласованностью коэффициентов теплового расширения кристаллов, светорассеивающего материала и других элементов конструкции. Однако благодаря высокой светоот­ даче и большой устойчивости к механическим и климатическим воз­ действиям такая конструкция получила наибольшее распространение (цифровые индикаторы AJIC321, AJIC324, AJIC326, AJ1C328, AJIC332, АЛСЗЗЗ, АЛС334, АЛС335 и др.). При использовании принципа рассеяния света разработан ряд гибридных цифровых индикаторов с высотой цифр 7, 12 и 18 мм, внешний вид которых показан на рис. 17, а, б, в, г. Рис. 17. Внешний вид и основные размеры гибридных цифровых устройств на светодиодах Значительное увеличение объема передаваемой количественной и качественной информации в цифровой и дискретно-аналоговой фор­ ме обеспечивает применение светодиодов с регулируемым цветом свечения за счет изменения режима питания. В частности, такие све­ тодиоды могут быть использованы в отсчетных устройствах, опреде­ ляющих поле допуска измеряемой или контролируемой величины. При существовании нескольких принципиальных путей создания светоизлучающих диодов с управляемым цветом свечения наиболь­ ший практический интерес представляет двухпереходный однокри­ стальный GaP светодиод типа AJIC331A. Кристалл диода (рис. 18,а) содержит два р-п-перехода с обеих сторон n-подложки GaP. Переход, легированный Zn О, дает красный цвет свечения, а зеленое свечение 36 имеет переход с примесью N. При включении обоих р-п-переходов благодаря прозрачности фосфида галлия обеспечивается хорошее смещение красного и зеленого излучений с получением промежуточ­ ных цветов. Размер кристалла в плане составляет 0,5 х 0,5 мм. Плот­ ность тока через р-п-переход с зеленым свечением ~ 8 А/см2, через p-n-переход с красным свечением ~ 11,5 А/см2. Конструкция свето­ диода (рис. 18, б) выполнена на основе металлокерамической ножки- держателя 3 с отражающей свет конической поверхностью 4, что по­ зволяет использовать боковое излучение кристалла 2 и увеличить силу света в 2...3 раза. Отношение высоты G полимерной линзы 1 к радиусу сферы G/R ~ 1,7, что обеспечивает угол обзора ~ 35°. Конст­ рукция цифрового устройства на основе светодиода АЛСЗЗ1А пред­ ставляет собой гибридный вариант с 8 излучающими элементами. Размер цифры 9 х 5,4 мм при общих размерах устройства 21,5 х 9 мм. Керамический держатель с 18 выводами позволяет осуществить сборку кристаллов с двумя р-п-переходами, работающими независи­ мо друг от друга. Пластмассовый корпус крепится на держателе све­ торассеивающим компаундом. Одна из возможных схем управления светодиодами с регулируе­ мым цветом свечения показана на рис. 18, в. Входная величина jc преобразуется аналого-цифровым преобразователем АЦП в цифро­ вой код, который поступает на дешифратор ДШ. Он формирует сигналы, обеспечивающие включение светодиодов в соответствии с изменением величины х. Одновременно блок сравнения БС анали­ зирует кодированное значение величины х, сравнивая его с задан­ ными величинами, поступающими с блока установок БУ, и форми­ рует командный сигнал. Этот сигнал запускает один из генераторов Г, которые отрегулированы так, что генерируют импульсы тока, различные по амплитуде и скважности. Импульсы с выхода возбу­ жденного генератора через логический элемент ИЛИ поступают в цепь питания светодиода. Если величина х находится в пределах допуска, то запускается генератор, вырабатывающий импульсы ко­ роткой длительности при значительной амплитуде тока в импульсе, и светодиод имеет зеленый цвет свечения. Если же величина х вы­ ходит за пределы допуска, то блок возбуждает другой генератор, который вырабатывает импульсы большой длительности, но с меньшей амплитудой тока, и светодиод дает красный цвет свечения. 37 Изменяя число генераторов и число установок в блоке сравнения, можно получить несколько цветов свечения отсчетного устройства. Рис. 18. Светодиод с управляемым цветом свечения Матричные отсчетные устройства на светодиодах могут из­ готовляться из набора отдельных светодиодов или иметь монолит­ ную конструкцию. В первом случае полупроводниковые кристаллы размером 0,3 х 0,3 или 0,5 х 0,5 мм монтируют (наклеивают) в ряды на плате с предварительно металлизированными полосками, осуще­ ствляющими электрическое соединение кристаллов по их нижнему электрическому контакту, а для электрического соединения кристал­ лов в столбцы по их верхнему контакту разводят золотую проволоку в направлении, перпендикулярном рядам. Отечественная промышленность выпускает несколько видов мат­ риц на светодиодах. Матрица типа «Модуль-1» включает 5 х 7 = 35 38 отдельных светодиодов квадратного вида со стороной 1 мм. Конструк­ ция позволяет располагать матрицы в ряд для образования многораз­ рядного числа или набора чисел на экране. Матрица типа «Модуль-2» конструктивно выполнена в виде набора из пяти отдельных прямо­ угольных пластин, размером 1 х 3 мм, что позволяет создавать дис­ кретно-аналоговые отсчетные устройства со шкалой произвольной длины с числом элементов, кратным пяти. Матричный светодиод типа AJ1306 имеет 36 отдельных кристаллов, из которых 35 служат для об­ разования цифр (5 х 7), а один для высвечивания десятичной запятой. Светодиод серийно выпускается в модификациях с красным свечени­ ем (на GaAsP) и с зеленым цветом (на GaP), что позволяет высвечивать цифры разных цветов в многоразрядных отсчетных устройствах. Большой практический интерес представляют модули экранов с на­ бором светоизлучающих диодов, вмонтированных в специальных кор­ пусах, с помощью которых можно получить сборные матрицы боль­ ших размеров без нарушения шага между светящимися элементами в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Для модулей экранов приняты следующие шаги между светящимися элементами: 0,625; 1,25; 2,5 мм. Основная трудность при создании корпусов модулей - уменьшение числа выводов при сохранении стандартного шага между ними 2,5 мм и при максимальном числе светоизлучающих элементов. Типовая конструкция включает матрицу светоизлучающих диодов 8 х 8 и матрицу выводов 4 х 4 в многослойном керамическом корпусе. Максимальное расстояние от края корпуса до центра любого крайнего вывода 1,25 мм, что позволяет собирать модули в матричный экран без нарушения шага между выводами в 2,5 мм. Расстояние от края конца модуля до центра любого крайнего светящегося элемента модуля 0,625 мм не нарушает шаг экрана 1,25 мм. В конструкции применена светопроводящая крышка с сеткой конических отверстий, металлизированных изнутри, что обеспечи­ вает эффективную оптическую изоляцию отдельных элементов. Использование всех типов рассмотренных отсчетных устройств на светодиодах, обладающих узким спектром излучения, позволяет при одной и той же силе света существенно увеличить контраст Изображения за счет использования фильтров. При заданном кон­ трасте изображения применение светофильтров позволяет также Уменьшить удельные энергозатраты, что делает отсчетные устрой- СТВа на светодиодах более экономичными активными приборами. 39 1.5. Газоразрядные отсчетные устройства и панели Принцип действия различных газоразрядных отсчетных уст­ ройств основан на преобразовании электрической энергии в свето­ вую при возбуждении атомов газа электрическим ударом и их по­ следующем гашении. При построении аналоговых газоразрядных устройств исполь­ зуется прямая пропорциональная зависимость между током разряда I и площадью Fp, занимаемой разрядом: l = ) F 3, где j - плотность тока на катоде в режиме нормального тлеющего разряда. Для проволочного катода LK — I / ( j t ' j ’ dK), при этом LK - длина катода, покрытого свечением (длина светящегося столба разряда); dK - диаметр катода. Линейный газоразрядный индикатор (рис. 19, а) выполнен в виде стеклянного баллона 1, внутри которого размещены два электрода: стержневой молибденовый катод 4, проходящий через центральные отверстия в керамических изоляторах 3, и цилиндрический анод 2. По всей длине анода проходит щель для визуального наблюдения за свечением разряда, затянутая металлической сеткой, которая предо­ храняет стекло баллона от напыления материалом катода. Баллон заполняется смесью инертных газов Не+5 %Ne+l%Kr, которая дает оранжево-красный цвет свечения. В наиболее распространенном типе ИН-13 фиксируется место возникновения тлеющего разряда в любом режиме работы. Для это­ го введен дополнительный электрод - вспомогательный катод 5 из циркония или ниобия, обладающий меньшим напряжением зажига­ ния, чем основной катод из молибдена. Вначале разряд возникает между анодом и вспомогательным катодом, а с повышением на­ пряжения - между анодом и основным катодом, при этом место возникновения основного разряда предопределено (зафиксировано) ранее возникшим разрядом на вспомогательном катоде. Это устра­ няет возможность появления светящегося столба на любом участке катода и повышает точность снятия отсчета. 40 Рис. 19. Линейный газоразрядный индикатор Газоразрядные отсчетные устройства аналогового типа могут быть использованы при создании различных одноканальных и мно­ гоканальных электроизмерительных средств и приборов, приме­ няемых для измерения постоянных и переменных токов и напряже- Нии> для индикации динамики измеряемых величин при работе в 41 комплексе с дискретными устройствами, например с цифровыми приборами, имеющими кодовый выход, для сравнения результатов измерений и выдачи оператору информации при достижении изме­ ряемой или контролируемой величины заранее заданного или пре­ дельного значения. Структурная схема одноканального прибора показана на рис. 19, б. Измеряемая величина х преобразуется входным устройством ВУ в на­ пряжение, которое после усилителя У поступает в схему управления СУ линейного газоразрядного индикатора ЛГИ. Значение х измеряется по шкале в зависимости от длины L* светящегося столба. Изменение коэффициента обратной связи х обеспечивает ряд пределов измерения; БП - блок питания. Все одноканальные приборы как постоянного, так и переменного тока имеют узкопрофильное исполнение, одинаковые габаритные размеры и внешнее конструктивное оформление. Их выполняют как для горизонтального, так и для вертикального монтажа, и они фак­ тически отличаются друг от друга только по виду шкал. Отечест­ венная промышленность выпускает одноканальные щитовые анало­ говые электроизмерительные приборы типов Ф212 (для постоянно­ го тока и напряжения), ИФ213 (для переменного тока и напряже­ ния), у которых в качестве основных элементов отсчетных уст­ ройств используются линейные газоразрядные индикаторы. В основу конструкции многоканальных приборов положено блочно-модульное исполнение с применением унифицированных типовых конструкций. Число каналов соответствует, как правило, числу модулей в приборе, а расположение линейных газоразрядных индикаторов может быть горизонтальным или вертикальным, в за­ висимости от условий эксплуатации, при этом конструкция много­ канальных приборов предусматривает возможность взаимозаме­ няемости модулей. Типовой модуль «Рубин-1» конструктивно вы­ полнен в одном корпусе, в котором размещены линейный газоразрядный индикатор, шкала и плата печатного монтажа со схемой управления. Габаритные размеры позволяют расположить на метровой длине более 70 шт. таких модулей. На основе модуля «Рубин-1» строятся 4-, 6-, 8-, 10-, 20- и 25-канальные устройства измерения и контроля входных величин. Линейные газоразрядные индикаторы и построенные на их основе отсчетные устройства обладают большой погрешностью (класс точ­ 4 2 ности 4,0), которая обусловлена нелинейностью характеристики (не­ линейность равна ±2 мм, что при длинах рабочего участка 80 и 100 мм дает погрешность от ±3 до ±2 %) и влиянием температуры окружающей среды (температурные изменения длины светящегося столба в диапазоне 20... 50°С составляют ± 1 мм, т. е. от 1,2 до 1 %). Кроме того, они не имеют цифрового входа, что создает известные трудности при их сопряжении с современными дискретными устрой­ ствами. Дискретно-аналоговые газоразрядные отсчетные устройства основаны на принципе направленного переноса разряда, и их кон­ структивно выполняют на основе газоразрядных индикаторов типов ИН-20, ИН-26, ИН-31. В индикаторах ИН-20 и ИН-26 с неразделенными системами счета и индикации процесс набора и представления информации постоянно контролируется оператором, что особенно важно при использовании отсчетных устройств для целей регулирования и слежения, когда опе­ ратор должен наблюдать за динамикой изменения контролируемой или измеряемой величины. При одинаковом принципе действия более широкими эксплуатационными возможностями и лучшими техниче­ скими характеристиками обладает индикатор ИН-26. 1 __ h К h__ L .f ------------------ c . t ■ГГ~1 б) рис. 20. Схемы включения и эпюры управляющих напряжений индикатора ИН-26 43 В конструкции индикатора (рис. 20) проволочный катод К разме­ щен внутри экрана Э с щелью. Анодный узел состоит из вогнутого цилиндрической формы основания, на которое накручивается четы- рехходовая спираль из тонкой проволоки. Анодом газоразрядного промежутка является та часть витка спирали, которая параллельна ра­ бочей поверхности экрана. Индикатор ИН-26 имеет 135 анодов, из ко­ торых 133 рабочих при шаге между ними 0,75 мм (у ИН-20-101 анод при шаге 1,5 мм) и два нулевых А0 и А'0 , которые вместе со вспомога­ тельными катодами Вк и В'к позволяют осуществить фиксацию начала светящегося столба с обоих концов шкалы. Все рабочие катоды объе­ динены внутри баллона в четыре группы, что требует 4-устойчивой схемы управления. Для подключения к схеме питания и управления с двух сторон баллона-колбы имеются по пять гибких выводов. При подаче питающего напряжения газовый разряд возникает между катодом и одним из анодов, принадлежащих группе, потенци­ ал которой в этот момент выше, чем на других группах (рис. 20, б). С приходом счетного импульса на вход распределителя-формирователя потенциал анодов третьей группы становится выше потенциала ано­ дов второй группы и разряд с анода А1 переходит на анод А2. С при­ ходом следующего счетного импульса разряд перейдет на анод АЗ четвертой группы и т. д. Таким образом, по мере поступления счетных импульсов разряд последовательно проходит все аноды, и схема управления переходит из состояния 1000 в состояние 0001, а оператор при этом наблюдает четко очерченную светящуюся точку, которая занимает определенное положение относительно начала от­ счета, соответствующее величине входного параметра. Для сброса разряда импульс сброса через емкость С поступает на анод Ао, при этом одновременно схема управления передает высокий потенциал через диод на анод Ао и компенсирует отрицательное напряжение смещения Есм. Для сброса разряда на анод Ао и изменения начала от­ счета необходимо вместо анода Ао и вспомогательного катода Вк подсоединить анод А„ и катод В'к к соответствующей группе ано­ дов, а остальные соединения схемы остаются без изменений. В индикаторе ИН-26 информацию об измеряемом параметре можно получить и в виде светящегося столба шириной около 1,5 мм, который образуется при пачечном режиме, когда на схему управления поступают пачки импульсов, обеспечивающих режим непрерывной регенерации изображения столба. Частота импульсов 4 4 в пачке определяет длину светящегося столба в соответствии со значениями измеряемой величины и равна 15 кГц, а пачки импуль­ сов подаются на схему управления с частотой следования 50 Гц, что выше критической частоты мельканий изображения. Газоразрядные индикаторы ИН-31 имеют разделенные системы счета и индикации и по команде оператора представляют ему не промежуточный, а окончательный результат счета. Это особенно целесообразно в тех случаях, когда одновременно используется большое число отдельных отсчетных устройств, мелькание и пере­ мещение светящихся элементов которых приводит к утомлению оператора. Индикатор ИН-31 состоит из трех блоков, смонтирован­ ных в одном корпусе: счетного, управляющего и индикаторного. В основу конструкции счетного блока заложены принципы построе­ ния индикатора ИН-26. Управляющий блок является промежуточ­ ным между счетным и индикаторным блоками и конструктивно вы­ полнен из отдельных газоразрядных промежутков, каждый из кото­ рых имеет внутреннюю связь с соответствующим счетным проме­ жутком. Индикаторный блок содержит два ряда индикаторных яче­ ек. Ячейки каждой пары, относящиеся к двум рядам, внутренне свя­ заны друг с другом и с соответствующим газоразрядным промежут­ ком управления. Индикатор выполнен в пластмассовом корпусе и имеет разъемы для подключения к электрической схеме. Схема управления имеет пять устойчивых состояний. В началь­ ный момент на схему управления счетным блоком подаются два вида сигналов - тактовые и счетные импульсы. При поступлении тактового импульса вырабатывается сигнал, который приводит к понижению напряжения на нулевом катоде, и при подаче питающе­ го напряжения между нулевым катодом и соответствующим анодом возникает разряд. Одновременно с окончанием тактового импульса на вход счетчика поступает последовательность счетных импуль­ сов, которая переводит схему управления из состояния 10000 в со­ стояние 00001, и разряд направленно перемещается от нулевого к последнему катоду. Однако в режиме счета оператор не наблюдает перемещения разряда, так как потенциал на анодах индикации не­ достаточен для возбуждения, свечения разряда. Если во время действия m-счетного импульса оператор подает команду на индикацию, то на соответствующих анодах управляющих и индикаторных блоков повышается потенциал и происходит зажи­ 45 гание в m-индикаторной ячейке. С приходом (т+1) - счетного им­ пульса разряд в счетном блоке переходит на т+1 катод, а в индика­ торном блоке m-ячейка погаснет и зажжется (т+1) - ячейка. После окончания импульса команды индикации потенциалы на соответст­ вующих управляющих и индикаторных анодах понижаются, свече­ ние индикаторных ячеек прекращается, но в счетном блоке продол­ жается перемещение счетного разряда. На базе счетных индикаторов возможно создание многошкаль­ ных дискретно-аналоговых отсчет­ ных устройств с параллельно рас­ положенными шкалами (рис. 21). В продольный паз 2 стеклянной пла­ стинки 1 уложена многокатодная система электродов 3 с нулевым 4 и последним 5 катодами. Катоды могут быть объединены в три группы, и крайние катоды имеют отдельные выводы. На нижнюю пластинку 1 вплотную накладыва­ ется верхняя стеклянная пластинка 6, в каждом пазу 7 которой закреп­ лен проволочный анод 8 малого диаметра, который не мешает ви­ зуальному наблюдению. Каждый канал имеет свою схему управле­ ния. Конструкция с 32 шкалами имеет шаг дискретности между каналами 35 мм, число дискретных состояний в канале 100, шаг дис­ кретности между катодами одного канала 15 мм, габаритные размеры 192 х 150 х 10 мм. Цифровые газоразрядные отсчетные устройства создают на базе индикаторных тиратронов тлеющего разряда и цифровых газо­ разрядных ламп. Из индикаторных тиратронов наиболее широко используют ти­ пы МТХ-90, ТХ-16Б, ТХ-17А, ТХ-19АЗ, ТХ-19АЖ, ТХ-19АК в виде Рис. 21. Многошкальное устройство на газоразрядных индикаторах 4 6 миниатюрных или сверхминиатюрных многоэлектродных ламп со стеклянным баллоном и гибкими выводами, из которых создают отсчетные устройства в виде мозаичных экранов модульной конст­ рукции, что обеспечивает их удобную эксплуатацию' и смену тира­ тронов, не нарушая межосевых расстояний между ними. В корпусе модуля размещают, как правило, тиратроны, схемы управления и необходимые разъемы. Типовыми примерами модуля могут сложить цифровые устрой­ ства типов МИ-1 и МИ-2 на тира­ тронах ТХ-16Б, ТХ-17А и TX-19J1, состоящие из 28 тиратронов со встроенным преобразователем ко­ дов из десятичной системы счис­ ления в код засветки индикатора. Размеры цифр 55 х 38 мм, что по­ зволяет считывать цифровую ин­ формацию с расстояния 15...20м, потребляемый ток от источника Анод Сетка Катод Рис. 22. Тиршронная матрица питания не более 30 мА, габаритные размеры 50 х 90 х 146, масса 0,4 кг. Создано световое табло модульной конструкции на тиратронах типа МТХ-90, построенное на базе ячеек, содержащее 7 x 5 светя­ щихся элементов. Световое табло содержит 72 тиратрона в длину и 7 в ширину при расстоянии между соседними тиратронами 24 мм. Использование современных интегральных методов изготовления газоразрядных устройств позволяет создавать монолитные тиратрон- ные матричные панели. Основой конструкции панели является стек­ лянная пластина - матрица, в которой выполнено большое число ти­ ратронов в виде газонаполненных ячеек сложной формы (рис. 22). В каждой ячейке имеются катод, сетка и анод. Электроды изготовляют методом пленочной технологии. В тиратронных панелях возможно объединение сеточных электродов в каждом вертикальном столбце, а в каждом горизонтальном - катодных электродов. Импульсы коор­ динатной выборки, приложенные к сеточному и катодному выводам, вызывают газовый разряд там, где они совпадают во времени и таким образом формируют требуемые цифровые символы. Наличие в ячей­ ках подготовительного разряда обеспечивает малое время срабаты­ вания и ввода информации, повышает стабильность работы панели. 4 7 Независимо от способа соединения электродов каждая отдельная ячейка панели работает как тиратрон тлеющего разряда. Аноды изготовляют из никелевой проволоки, а катоды - из ни­ хрома или титана. Для изменения цветности цифр в конкретных конструкциях цифровых устройств применяют наружные свето­ фильтры или баллоны ламп покрывают цветным лаком. В целях уменьшения распыляемости материала катода и повышения долго­ вечности ламп в состав газовой смеси вводят пары ртути. При наличии рабочих напряжений между анодом и одним из катодов в газовой среде возникает разряд, который имеет форму катода-цифры. Свечение тлеющего разряда у работающего катода имеет ширину до 2 мм. Смена изображений цифр на одном знакоместе осуществляется последовательной коммутацией напряжений на разные катоды. Для питания цифровых газоразрядных ламп применяют как по­ стоянное, так и импульсное напряжение. Пульсирующий режим пи­ тания может осуществляться с помощью трансформатора и диода (рис. 24, б). При частоте следования импульсов 20...50Гц макси­ мальный импульсный ток может быть в 4... 5 раз выше тока при по­ стоянном питающем напряжении. Рис. 23. Цифровые газоразрядные лампы Цифровые газоразрядные лампы типа ИН (рис. 23) представляют собой баллон, внутри которого размещен один общий анод, выпол­ ненный в виде тонкой ред­ кой сетки 1 и нескольких катодов 2, имеющих конфи­ гурацию в форме цифр. Ка­ тоды расположены стопкой один за другим так, что об­ разуется пакетная конструк­ ция. В некоторых лампах для улучшения светотехни­ ческих характеристик анод выполняют из двух электри­ чески соединенных между собой частей. 4 8 ffa Рис. 24. Схемы питания газоразрядных ламп Чтобы исключить зажигание нерабочих катодов и побочное све­ чение, которое создает фон и приводит к ухудшению четкости све­ тящихся контуров цифр, применяют режим питания со смещающим напряжением (рис. 24, в), при котором нерабочие катоды имеют по­ ложительный потенциал по отношению к работающему катоду. Смещающее напряжение может использоваться как в режиме посто­ янного, так и в режиме пульсирующего питания, и минимальное его значение приблизительно равно половине напряжения зажигания. Лампы с торцовым выводом и круглым баллоном обеспечивают минимальное расстояние между соседними лампами, большее по сравнению с размерами цифр, и их целесообразно использовать в отсчетных устройствах с небольшим количеством разрядов. Лампы с торцовым выводом и прямоугольной колбой можно располагать на панели близко друг к другу, что позволяет получить более удоб­ ную компоновку многоразрядных отсчетных устройств. Лампы с 49 боковым выводом цифр широко используют при создании цифро­ вой аппаратуры и различных цифровых измерительных приборов. В многоразрядных отсчетных устройствах цифровые лампы рас­ полагают по несколько штук в ряд на одной панели. В этом случае цифры отдельных ламп визуально воспринимаются оператором как расположенные на различной глубине, что является существенным недостатком такой конструкции из-за параллакса и уменьшения уг­ ла наблюдения. Указанных недостатков не имеют отсчетные уст­ ройства на плоских газоразрядных панелях. В настоящее время существуют и разрабатываются следующие основные классы газоразрядных панелей: многоразрядные сегмент­ ные, постоянного тока с внешней адресацией, постоянного тока с самосканированием, переменного тока. Многоразрядные сегментные панели выполняют в виде плос­ кого стеклянного корпуса (рис. 25, а). На диэлектрическую (кера­ мическую или стеклянную) подложку 1 наносят катодные электро­ ды-сегменты 3, контактные площадки 2, диэлектрический слой в 5 1 Рис. 25. Газоразрядные сегментные панели 50 виде тонкой изолирующей пленки, закрывающей все участки ме­ таллизации, кроме рабочих участков катодов-сегментов. Сверху подложку накрывают стеклянной пластинкой 5 с нанесенным на ней рисунком прозрачных анодов 4 (обычно из двуокиси олова). Расстояние между электродами устанавливают с помощью проме­ жуточной стеклянной пластинки 6 (рис. 25, б) и всю конструкцию герметизируют специальным стеклоцементом. Серийно выпускают­ ся газоразрядные сегментные панели ГИП-11 в ИГП-17, которые применяют для отображения цифровой информации в настольных калькуляторах, кассовых аппаратах, различных измерительных приборах, радиотехнических устройствах и т. д. Для управления многоразрядными цифровыми индикаторами используют схемы, в которых все одноименные сегменты цифр раз­ личных разрядов объединены и имеют общий вывод. Соединение цифровых панелей со схемой управления осуществляется с помо­ щью контактных разъемов. Газоразрядные панели постоянного тока с внешней адресаци­ ей (рис. 26) содержат нижнюю стеклянную пластинку 1, на внут­ ренней поверхности которой выполнены пазы. В пазах параллельно друг другу размещены катодные электроды. Диэлектрическая мат­ ричная решетка 3 с перфорированными отверстиями отделяет (изо­ лирует) катодную систему электродов от анодов 4, расположенных перпендикулярно к катодам. Решетка фиксирует межэлектродное расстояние, центры отверстий совпадают с местами пересечения проекций катодов и анодов, и в отверстиях решетки образуются элементарные газоразрядные промежутки, в которых при подаче управляющего напряжения возбуждается свечение. Анодная систе­ ма электродов закрыта верхней стеклянной пластиной 5. Панель герметизируется слоем стеклокристаллического цемента 6. К полу­ ченной пакетной конструкции панели прикрепляется печатная пла­ та 7, на которой производится распайка выводов электродов. По рассмотренной конструктивной схеме выполнена газоразряд­ ная панель постоянного типа ГИП-1000. Стеклянные пластины в панели изготовлены из плоского промышленного стекла платино­ вой группы толщиной около 5 мм. Высокая степень плоскостности рабочих поверхностей пластин (стрелка прогиба не более 0,05 % от линейных размеров) обеспечивает практическое постоянство межэ- лектродных расстояний между катодами и анодами по всему полю 51 панели. Матрица решетки толщиной 0,35 мм выполнена из фотоси- талла, отверстия в ней имеют форму, близкую к квадратной, с раз­ мерами 0,6 х 0,6 мм, шаг расположения отверстий 1 мм. Аноды из­ готовлены из проволоки 47НД диаметром 0,1 мм. Стеклокристал­ лический цемент в виде порошка наносят по периферийной области стеклянных пластин, а при нагревании под грузом он растекается, смачивая соединяемые детали конструкции, кристаллизуется, обра­ зуя вакуумно-плотный шов шириной около 8 мм. Пакетную конст­ рукцию панели устанавливают в корпус, в котором предусмотрены пазы для установки светофильтров или подобных устройств, места для монтажа. Печатную плату изготовляют из фольгированного ге- тинакса. По периметру платы размещены контактные площадки с шагом 2 мм. Рис. 26. Газоразрядная панель постоянного тока с внешней адресацией На базе панели ГИП-1000 разработан матричный газоразрядный индикатор ИМГ-1 в виде модуля, предназначенного для преобразо­ вания электрических сигналов в видимое изображение, синтезиро­ ванное из дискретных световых элементов в системе координат X, У. Ввод информации осуществляется в 100-разрядном параллельно­ двоичном коде (У 1 - У100) с помощью анодных ключевых элемен­ тов, которые подают информационные сигналы на анодные элек- 52 т р о д ы , что соответствует координате У экрана. Развертка изобра­ жения в двухразрядном двоично-десятичном коде (XI - Х8) осуще­ с т в л я е т с я с помощью катодного коммутатора по катодным электро­ дам, принятым за координату X экрана индикатора. По конструктивной схеме, аналогичной панели ГИП-1000, вы­ полнены и газоразрядные индикаторные крупноэлементные панели ИГПП-32/32 и ИГПП-16/32, имеющие размеры светового элемента 3 x 3 мм, что обеспечивает уверенное считывание информации с расстояния 15...20 м. Конструкция позволяет собирать модули из нескольких панелей, которые можно соединять между собой при создании экранов практически любых размеров и конфигураций без потери информации по полю и в местах стыков панелей и модулей. На основе серийно выпускаемой панели ИГПП-32/32 разработан газоразрядный матричный индикатор ИМГ-3. Индикатор содержит четыре указанные панели и схему управления, что позволяет созда­ вать наборные экраны коллективного пользования практически не­ ограниченных размеров. Основными недостатками панелей постоянного тока с внешней адресацией, работающих в режиме циклического обновления ин­ формации, являются значительное время запаздывания зажигания ячеек (до 5 с) и необходимость использования достаточно сложного внешнего развертывающего устройства. Указанные недостатки уменьшают надежность работы отсчетных устройств и обусловли­ вают высокую стоимость систем управления. Газоразрядные панели постоянного тока с самосканировани- ем (ГИПС) основаны на использовании направленного переноса тлеющего разряда по промежуткам сканирования аналогично пере­ носу разряда с дискретно-аналоговых устройств. Такие панели ис­ пользуют преимущественно для систем отображения информации с небольшим количеством знакомест (от 16 до 200). Панели с само- сканированием характеризуются простотой схемы управления, ма­ лой потребляемой мощностью, возможностью осуществления мо­ дуляции яркости в широких пределах, равномерным свечением всех элементов растра. Конструкция ГИПС (рис. 27) содержит опорную стеклянную пла­ стинку 1, на рабочей поверхности которой выфрезерованы пазы 2. В пазах размещены аноды сканирования 3, и перпендикулярно к ним установлены катоды сканирования 8. В катодах выполнены отвер­ 53 стия 9, расположенные напротив пазов для анодов сканирования. Ка­ тодная группа электродов включает также сплошной катод 7. Катоды сканирования объединены в п групп (не менее 3). Указанные конст­ руктивные элементы образуют сканирующую часть конструкции па­ нели с изолированными друг от друга разрядными каналами с инди­ видуальными анодами и общей катодной системой электродов. На катоды наложена перфорированная диэлектрическая матрица 4, от­ верстия которой совпадают с отверстиями катодов сканирования. Аноды индикации 6 расположены на матрице 4 параллельно анодам сканирования 3 и выполнены в виде проволочных ячеек пленочных электродов. Указанные элементы конструкции образуют индикатор­ ную часть панели, которая сообщается со сканирующей частью через инжекционные отверстия в катодах. Сверху структура закрыта про­ зрачной стеклянной пластиной 5, и весь пакет панели герметизирует­ ся по периметру стеклокристаллическим цементом. Рис. 27. Газоразрядная панель постоянного тока с самосканированием При подаче напряжения питания на промежуток катод-анод ска­ нирования в каждом канале сканирования возбуждается разряд. Пе­ ремещение газового разряда от нулевого катода к последнему осуще­ ствляется с помощью n-фазной импульсной схемы (п - число групп 5 4 катодов) одновременно по всем каналам. Когда разряд достигнет по­ следнего катода, осуществляется одновременный сброс разрядов с помощью импульса, подаваемого на нулевой катод. При наличии разрядов в каналах сканирования через отверстия в катодах происхо­ дит диффузия заряженных частиц из сканирующих промежутков в соответствующие индикаторные ячейки, что обеспечивает снижение напряжения их зажигания. Таким образом, сканирующие разряды, последовательно воздействуя на все столбцы индикаторных ячеек, подготовляют их к зажиганию. Оператор практически не видит све­ чения сканирующих разрядов из-за малых размеров инжекционных отверстий в катодах. При подаче на аноды индикации управляющих положительных импульсов напряжения зажигаются только те инди­ каторные ячейки, которые в этот момент подготовлены сканирую­ щим разрядом. В индикаторной ячейке разряд горит только в течение времени, которое не превышает устойчивого состояния схемы управ­ ления в одном из рабочих положений. Рассмотренная конструкция положена в основу панелей с само- сканированием ГИПС-16 на 16 знакомест оранжево-красного и зеле­ ного цветов свечения и панели ИГПС-222/7 на 32 знакоместа. Вос­ производимое изображение в виде цифр синтезируется из 7x5 светящихся точек (индикаторных ячеек). Размеры цифр и тол­ щина их обводки определяются шагом ячеек в строке и столбце и их диаметром. Для устранения мелькания изображение должно перио­ дически обновляться с частотой кадровой развертки не менее 30 Гц. В панели ГИПС-16 катоды объединены в три группы и перенос зарядов осуществляется с помощью трехфазной схемы, соединен­ ной с группами катодов. В упрощенной структурной схеме управ­ ления панелью (рис. 28) код цифры после запоминающего устрой­ ства ЗУ поступает на знакогенератор ЗГ и далее на семь ключей анодов индикации Ка1—Ка7. Для развертки используются счетчик на три СЧ-3, дешифратор ДШ и четыре катодных ключа Кк1 - Кк4 (на три группы катодов и один нулевой катод К0). Рабочая частота импульсов сканирования, временные соотношения между импульсами сканирования и инди­ кации обеспечиваются схемой синхронизатора СН. В первом режи­ ме работы панели ГИПС-16 на аноды сканирования подается на­ пряжение Un„T = (355 ± 10) В, на группе катодов импульсное напря­ жение Цск изменяется от уровня +100 В до нуля, коммутация на­ 55 пряжения на анодах индикации U„„ происходит от уровня (+100 ±5) до уровня (+250 ± 5) В. Во втором режиме питания на аноды скани­ рования подается напряжение UniiT = (250 ± 10) В, импульсное на­ пряжение на катодах UCK изменяется от нуля до - 100 В, напряжение на анодах индикации UHH коммутируется от (+150 ± 5) В до нуля. Рис. 28. Упрощенная структурная схема управления газоразрядной панелью ГИПС-16 На базе панели ГИПС-16 серийно выпускается универсальный индикаторный прибор ПИУ, который обеспечивает индикацию раз­ личных знаков и символов, в том числе цифровых. Он может быть использован для отсчета информации в ЭВМ, аппаратуре АСУ, стан­ ках с ЧГТУ, промышленных роботах, контрольно-измерительных приборах и оборудовании и т. д. Газоразрядная панель ГИПС на 16 знакомест зеленого цвета све­ чения имеет два варианта конструктивного исполнения: первый - с повышенной яркостью и напряжением индикации; второй - с пара­ метрами, полностью соответствующими параметрам панели ГИПС- 16 оранжево-красного цвета свечения. Динамическая яркость пер­ вого варианта панели составляет не менее 100 кд/м при коммутации напряжения на анодах индикации от (+105 ±5) до (+295 ±5) В (пер­ вый режим работы) или от нулевого уровня до (+195 ±5) В (второй 56 режим работы). Люминофор возбуждается в основном ультрафио­ летовым излучением катодной области разряда. В панелях ИГПС-222/7 на нижней стеклянной пластине выполне­ ны семь пазов, в которых уложены проволочные аноды сканирова­ ния. Перпендикулярно к анодам сканирования расположены 222 ка­ тодных электрода, в каждом из которых имеются семь инжекцион- ных отверстий диаметром 70... 90 мкм. Катодные электроды соеди­ нены в пять групп. Из корпуса панели к схеме управления выводятся 14 выводов: 5 по числу групп катодов, 1 нулевой катод, 7 анодов ин­ дикации, 1 для подачи напряжения на аноды сканирования. Струк­ турная схема управления панелью ИГПС-222/7 аналогична схеме для панели ГИПС-16, но в ней используется счетчик на пять и шесть ка­ тодных ключей Сна пять групп катодов и один нулевой катод). На базе состыкованных пяти панелей ИГПС-222/7 разработано устройство отображения информации с общей информационной ем­ костью 160 знакомест при общем числе знаков в строке, равном 32. Газоразрядные панели переменного тока в зависимости от ре­ жима включения разделяют на панели с запоминанием информации (с памятью) и без запоминания информации (без памяти). Конструктивно газоразрядная панель переменного тока с памя­ тью состоит из двух стеклянных пластин 1 (рис. 29, а). С внутрен­ ней стороны пластин расположены системы взаимно перпендику­ лярных металлических электродов 2, покрытых изолирующим сло­ ем диэлектрика 3, который защищен от действия газового разряда пленкой 4. Расстояние между пластинками фиксируется с помощью тонких диэлектрических прокладок 5, а зазор между ними заполня­ ется газом под давлением, близким к атмосферному. Вся конструк­ ция по периферии герметизируется с помощью стеклоцемента 6. Между системами вертикальных и горизонтальных электродов прикладывается знакопеременное опорное напряжение Цо„, ампли­ туда которого недостаточна для зажигания, но достаточна для под­ держания газового разряда. Если на пару вертикальных и горизон­ тальных электродов подаются во временном интервале t] - t2 им­ пульсы записи U3an с суммарной амплитудой, достаточной для за­ жигания, то в соответствующей ячейке возбуждается газовый раз­ ряд (рис. 29, б). При наличии тока разряда 1р на конденсаторной структуре, образованной изолирующими слоями диэлектрика, по­ крывающего проводящие электроды, возникают электрические за­ 5 7 ряды, создающие напряжение Uc, полярность которого противопо­ ложна полярности напряжения записи U3an- В результате суммарное напряжение на газовой ячейке уменьшается, что приводит к само- гашению разряда и ограничению длительности протекания тока 1р. Так как время отекания возникших на диэлектрике разрядов от­ носительно велико, то в последующий временной интервал t2-t3 соз­ данное ими напряжение Uc суммируется с изменившим знак опор­ ным напряжением Uon и напряжение, приложенное к ячейке, оказы­ вается достаточным для возникновения газового разряда. Указан­ ный процесс будет повторяться в ячейке в интервалах времени t3-t4, t4-t5> t5-t6, t6-t7, и ячейка оказывается бистабильным элементом и мо­ жет находиться в проводящем или непроводящем состоянии. Имен­ но эта бистабильность, определяемая наличием или отсутствием заряда на диэлектрических слоях, позволяет получить запоминание информации на индикаторном поле панели. Для гашения разряда, например во временном интервале t7-t8, на ячейку подается сти­ рающий импульс UCT, который понижает напряжение на конденса­ торной структуре до небольшой величины Uco, в результате чего повторное зажигание разряда в ячейке становится невозможным. Применение таких панелей оправданно в основном в тех случа­ ях, когда скорость поступления информации меньше или соизмери­ ма со скоростью записи ее на панели. В других случаях предпочти­ тельнее панели переменного тока, работающие в режиме внешней развертки (без памяти). б) Рис. 29. Газоразрядная панель переменного тока с памятью 58 а) 6) Рис. 30. Газоразрядная панель переменного тока без памяти Конструктивная схема панели показана на рис. 30, а: 1 и 11 — нижняя и верхняя стеклянные пластинки; 3 и 9 - нижняя и верхняя взаимно перпендикулярные системы электродов; 2 — диэлектриче­ ское покрытие; 4 и 10 - нижняя и верхняя изоляционные решетки; 5 - стабилизирующее покрытие; 6 - вывод; 7 - компаунд; 8 - стек­ лянная планка. Собранная панель представляет собой совокупность условно не связанных между собой функциональных ячеек. Каждая ячейка образуется участками перекрещивающихся нижних и верх­ них систем электродов, закрытых диэлектриком со стабилизирую­ щим покрытием и отделенных друг от друга участками изоляцион­ ных решеток, образующих квадратную ячейку. При включении па­ нели напряжение Ux поочередно поступает на вертикальные элек­ троды х в виде пачки рабочих импульсов с частотой f (рис. 30, б). На каждом электроде xt это напряжение действует в течение време­ ни (Nxfk)'1, где Nx - число вертикальных электродов, fk - частота по­ вторения кадров. Напряжения Ux недостаточно для зажигания газо­ вого разряда в ячейках панели. Возбуждение разряда происходит только в том случае, когда на горизонтальные электроды у посту­ пают такие же пачки импульсов Uy, но сдвинутые относительно пачки импульсов на электродах х. При этом зажигаются только те ячейки i, для которых импульсные напряжения Ux; и Uyi совпадают во времени. 59 1.6. Отсчетные устройства на жидких кристаллах Принцип действия отсчетных устройств на жидких кристаллах основан на изменении электрооптических параметров жидкокристал­ лических веществ при наличии управляющего воздействия. Устрой­ ства на жидких кристаллах являются пассивными элементами. Они не излучают свет, а воспроизводят изображение либо за счет измене­ ния рассеивающих свет свойств жидкокристаллической среды, либо за счет изменения прозрачности (оптической плотности). Принципиальным преимуществом жидкокристаллических от­ счетных устройств по сравнению с рассмотренными ранее является малое потребление мощности и независимость контраста изображе­ ния от уровня внешней освещенности. Кроме того, они имеют низ­ кие пороговые напряжения, что обеспечивает их совместимость с интегральными схемами управления, высокотехнологичны, деше­ вы, обладают малым конструктивным объемом, позволяющим зна­ чительно сократить массу и габариты. К основным недостаткам можно отнести сравнительно малую скорость включения и выклю­ чения, что не позволяет эффективно отображать динамическую ин­ формацию; ограниченный диапазон рабочих температур. Для создания отсчетных устройств наибольшее применение на­ ходят нематические жидкие кристаллы. Тонкий слой нематического кристалла прозрачен, так как в нем почти отсутствуют изменения направления ориентации молекул. Основой конструкции отсчетных устройств на жидких кристаллах является жидкокристаллическая ячейка (рис. 31), состоящая из двух плоских стеклянных пластин 1 , на внутренние поверхности которых нанесены электроды 3 и 4, подключенные к источнику питания. Кон­ струкция одного электрода, например 3, определяет форму изобра­ жаемой цифры или сегмента, и он выполнен в виде тонкой прозрач­ ной пленки из электропроводящего материала, в частности окислов олова Sn02 или индия bi20 3. Второй электрод 4 сплошной. Электро­ ды разделены прокладкой 5 толщиной 10...20 мкм, и промежуток ме­ жду ними заполняется жидким кристаллом 2. Для устранения воз­ действия на кристалл окружающей среды предусмотрена герметиза­ ция ячейки. Устройства на жидких кристаллах могут работать как в прохо­ дящем (рис. 31, а), так и в отраженном (рис. 31, б) свете. В первом 6 0 случае оба электрода прозрачны для излучения и требуется допол­ нительный источник света. Во втором случае один задний электрод 4 непрозрачен^ и он представляет собой зеркальный слой отражаю­ щего материала (А/, Ni, Сг). Изменение цветности видимых опера­ тором цифр обеспечивается установкой соответствующих фильтров перед ячейкой или подкрашиванием самого жидкого кристалла. а) б) Рис. 31. Жидкокристаллические ячейки Из известных электрооптических эффектов в жидких кристаллах практическое использование в отсчетных устройствах находят эф­ фект динамического рассеяния и полевой «твист-эффект». Для эф­ фекта динамического рассеяния первоначальная ориентация моле­ кул жидкого кристалла может быть любой, в частности планарной или гомеотропной (при планарной ориентации длинные оси всех молекул направлены параллельно поверхности электродных пла­ стин, а при гомеотропной - перпендикулярно к ним). Требуемое состояние ориентации молекул жидкого кристалла достигается со­ 61 ответствующей обработкой поверхностей пластин. Предположим, что при отсутствии управляющего напряжения на электродах слой жидкого кристалла имеет планарную ориентацию молекул. В мо­ мент приложения напряжения диполи молекул ориентируются по полю, упорядоченность молекул возрастает, прозрачность слоя уве­ личивается. При напряжении поля выше порогового ионы, двига­ ясь от катода к аноду, вызывают турбулентность при выравнивании осей молекул по направлению движения ионов. В свою очередь, турбулентность приводит к локальному изменению показателя пре­ ломления жидкокристаллического вещества. В результате происхо­ дит рассеяние света: участки жидкого кристалла, находящиеся в состоянии динамического рассеяния, ярко светятся по сравнению с соседними невозбужденными участками. В жидкокристаллических устройствах, работающих на основе «твист-эффекта», используется нематический жидкий кристалл с закрученной на 90° структурой молекул, которая может быть прак­ тически получена натиранием поверхностей электродов ячейки во взаимно перпендикулярных направлениях. В результате молекулы кристалла вблизи поверхности пластин ориентируются взаимно перпендикулярно, а в глубине слоя жидкого кристалла возникает спиральная укладка нематических плоских структур. Ячейку с та­ кой структурой помещают между скрещенными поляроидами. При подаче напряжения на электроды закручивание структуры исчезает, жидкий кристалл принимает нормальную ориентацию молекул, свет не проходит через поляроиды и рабочий сигнал выглядит тем­ ным на светлом фоне. Для получения светлого изображения на тем­ ном фоне один из поляризаторов необходимо повернуть на 90°. Цифровые отсчетные устройства на жидких кристаллах яв­ ляются наиболее распространенными, и они могут быть выполнены в двух вариантах: в виде пакетной конструкции с системой цифр и в виде плоской конструкции с системой сегментов. В первом случае устройство состоит из отдельных ячеек (рис. 32), располагающихся последовательно друг за другом. На каждой пластине, являющейся отдельным знакоместом и покрытой с обеих сторон прозрачной пленкой Sn02, с одной стороны вытравливается рисунок в виде од­ ной из цифр от 0 до 9. С противоположной стороны пластины слой Sn02 удаляют так, что он остается на области, занимаемой конфигу­ рацией цифры. Расстояние между соседними пластинами фиксиру­ 62 ется прокладками, промежуток между ними заполняется жидким кристаллом, высвечивание цифр управляется десятичным кодом. Такая конструкция достаточно сложна по технологическому испол­ нению, не обеспечивает большого угла наблюдения, требует при­ менения источника подсветки, так как система расположения ячеек работает в режиме проходящего света. В плоской конструкции жидкокристаллического устройства (рис. 33) все цифры и их элементы располагаются в одной плоско­ сти, что обеспечивает большой угол наблюдения при сравнительно высоком коэффициенте использования площади панели и простоте технологии изготовления. На две плоские полированные пластины, между которыми располагается слой жидкого кристалла, наносят пленки Sn02H на них вытравливают рисунки сегментов и электро­ дов. При работе ячейки на отражение на заднюю пластину наносят отражающий слой из А/. Расстояние между сегментами обычно со­ ставляет 150 мкм, ширина выводов от контактных площадок к сег­ ментам - 2 0 0 мкм. Для практического использования в отсчетных устройствах и сис­ темах выпускаются одноразрядные и многоразрядные цифровые ин­ дикаторы на жидких кристаллах. Одноразрядные индикаторы вы­ полняют в отдельных корпусах (рис. 33, а), что обеспечивает требуе­ мый набор цифровых табло и при необходимости можно произве­ сти их замену. В типовом металлостеклянном корпусе (рис. 33, б) слой 3 жидкого кристалла находится между пластинами 1 и 2 , раз­ деленными прокладками 4. Металлическая крышка 7 фланцем Рис. 32. Схемы цифровых устройств на жидких кристаллах 63 5 герметически соединяется с верхней пластиной 1 через слой спе­ ченного металлического порошка и припоя. На пластину 2 наносят металлический слой 6 , который защищает поверхность пластин от повреждений. В металлополимерном корпусе (рис. 33, в) пластины 1 и 2, разделенные прокладкой 4 и между которыми находится слой 3 жидкого кристалла, герметизируются в пластмассовом корпусе 6 , из которого выводятся внешние электроды 5. Рис. 33. Жидкокристаллические одноразрядные цифровые модули Для малогабаритных переносных измерительных приборов, каль­ куляторов удобно применение жидкокристаллических многоразряд­ ных цифровых (рис. 34, а) и универсальных (рис. 34, б) панелей. На них выполняют гребенчатые гибкие выводы, с помощью которых обеспечивается соединение с печатной платой. На плате размещают схему управления. Применение гибких выводов позволяет регулиро­ вать угол наклона панели на приборной доске для получения опти­ мального углового положения панели относительно оператора. Выпускаемые в настоящее время цифровые жидкокристалличе­ ские модули и панели находят применение в отсчетных и индика­ торных устройствах индивидуального пользования с небольшой 6 4 площадью изображения. Это объясняется в первую очередь тем, что создание индикаторов с большой площадью изображения является сложной задачей из-за трудностей получения хороших жидкокри­ сталлических тонких пленок больших размеров. 5,5 max 16 I §• <о ! 1 * Рис. 34. Многоразрядные цифровые устройства на жидких кристаллах В цифровых отсчетных устройствах электронных часов приме­ няют в основном жидкие кристаллы с «твист-эффектом». Усложне­ ние конструкций модулей и панелей за счет необходимости введе­ ния поляроидов оправданно, поскольку полевые эффекты дают воз­ можность снизить управляющее пороговое напряжение до 1...4В, потребляемый ток - на порядок, увеличить крутизну рабочей характеристики, значительно увеличить срок службы при питании устройства постоянным током. Типовая структурная схема управления электронных часов с жидкокристаллическим цифровым индикатором на 6 разрядов пока­ 65 зана на рис. 35. Сигнал с кварцевого генератора частотой 32 кГц подается на делитель, выполненный на БИС-1, с выхода которой сигнал частотой 64 Гц поступает на индикатор и на БИС-2 для дальнейшего деления на секунды, пересчета в минуты, часы и далее на дешифраторы единиц минут, десятков минут, единиц часов, де­ сятков часов. Рабочие сигналы с дешифраторов БИС-2 поступают на соответствующие сегменты цифрового индикатора. Для питания БИС-1 требуется источник постоянного тока 2,5 В, для БИС-2 - на­ пряжением 5 В, для индикатора переменного напряжения 4... 10 В. Индикатор 6 разрядана 'off Чаш\минуты\ Т^Секунду Устройство подсветки индикатора ъгкгц БИС-1 МГц t П2дть БИС-г 68 зв Ц Н2Д Ш ¥ БИС-3 И \ 1— i _ 6В 68 Б л о к пит ания Кнопочное устройство Рис. 35. Структурная схема управления электронных часов с жидкокристаллическим цифровым отсчетным устройством Аналоговые отсчетные устройства на жидких кристаллах имеют электрод, выполненный в виде полосы удлиненной формы, сопротивление которого изменяется пропорционально увеличению его длины (рис. 36). Источник опорного напряжения Uon постоянно подключен к прозрачному высокоомному электроду 3, а напряжение Ux, пропорциональное измеряемой величине х, в определенной по­ лярности подключено между низкоомным электродом 4 и одним из концов высокоомного электрода. Оба электрода 3 и 4 нанесены на соответствующие пластины 2, между которыми находится слой 1 жидкого кристалла. В результате напряжение ижк (рис. 36, б) пря­ молинейно изменяется по всей длине L высокоомного электрода и в некоторой точке Цжк - 0. Если U„ - пороговое напряжение возникно­ вения электрооптического эффекта в жидком кристалле, то сущест­ вует линейный участок, где выполняется условие ижк< U„, который 66 можно рассматривать как отсчетное окно. При изменении л: отсчет- ное окно как указатель смещается пропорционально напряжению Ux. Если в устройстве установить эталонную линейную шкалу, то анало­ говый жидкокристаллический индикатор можно использовать как линейное отсчетное устройство для измерения механических, элек­ трических, тепловых и других величин. Рис. 36. Аналоговое отсчетное устройство на жидких кристаллах При питании жидкокристаллического устройства от переменного напряжения рекомендуется схема с регулируемым делителем на­ пряжения. К высокоомному электроду 1 подключен источник пере­ менного напряжения U0 (рис. 36, в). Измеряемое напряжение Us управляет коэффициентом деления делителя, изменяя сопротивле­ ние одного плеча (Rt на рис. 36, в). Напряжение с делителя подается на низкоомный электрод 2. В такой схеме включения обеспечивает­ ся синхронизация по фазе напряжений, снимаемых с обоих плеч делителя, и возможные отклонения напряжения от номинального значения не будут влиять на положение отсчетного окна-указателя. Развитие современных оптоэлектронных отсчетных устройств и систем на ближайшие годы связано с улучшением комплекса их характеристик, разработкой новых устройств на основе традицион­ ных наиболее изученных электрооптических эффектов, практиче­ ской реализацией устройств на новых эффектах. а) б) в) 1.7. Перспективы развития оптоэлектронных отсчетных устройств 6 7 Вакуумные лампы накаливания являются достаточно современ­ ными приборами, и создание на их основе отсчетных устройств больших размеров для экранов коллективного пользования и мне­ мосхем вполне оправданно. Расширение эксплуатационных воз­ можностей и областей применения ламп накаливания связано с разработкой устройств с буквенным изображением, близким по своим параметрам и размерам к существующим моделям цифровых ламп. Возможно дальнейшее усовершенствование ламп накаливания с использованием планарной технологии нанесения электродов или микропроволочных элементов накаливания. Развитие и расширение области применения катодолюминес­ центных отсчетных устройств связано с унификацией характери­ стик как цифровых, так и знаковых вакуумных ламп, увеличением их долговечности, снижением потребляемой мощности, разработ­ кой унифицированных интегральных схем управления. Проводятся исследования по усовершенствованию катодного узла ламп, в част­ ности созданию пленочных ненакаливаемых катодов. Основными направлениями развития электролюминесцентных устройств являются: разработка и промышленное освоение электро­ люминофоров и активных структур, обладающих высокой яркостью свечения, малыми управляющими напряжениями, надежностью и работающих на переменном, постоянном и импульсном токе; соз­ дание многоэлементных матричных табло и экранов, отличающихся большой нелинейностью вольт-яркостной характеристики и малым влиянием «кросс-эффекта»; выбор и разработка схем управления с малыми паразитными емкостями и перекрестными связями, в част­ ности с использованием оптронов. Перспективы развития и применения отсчетных устройств на свето­ диодах связаны с решением ряда основных задач: улучшением качества существующих и разработкой новых типов полупроводниковых мате­ риалов, обладающих большой эффективностью, в частности A^Ga^As; расширением цветности излучения (в первую очередь на синюю область оптического спектра) и развитием светодиодов с управляемым цветом свечения; созданием интегральных схем управления в объеме активного кристалла, содержащего светоизлучающие элементы. Газоразрядные устройства для систем отображения информации развиваются в направлении создания цифровых и знакографических газоразрядных индикаторных панелей с широкими функциональны­ 68 ми возможностями. Расширение функциональных возможностей га­ зоразрядных индикаторных панелей будет осуществляться в основ­ ном за счет использования многоцветных люминофоров, вмонтиро­ ванных в прибор схемы управления, электронно-оптических мето­ дов управления газоразрядных индикаторных панелей, конструкций наборных экранов коллективного пользования из отдельных блоков с узким швом герметизации, развития различных методов модуля­ ции яркости. В частности, основным направлением создания цвет­ ных газоразрядных индикаторных панелей с высокой яркостью све­ чения является разработка конструкций панелей с катодовозбужде- нием и фотовозбуждением люминофоров. Дальнейшее развитие жидкокристаллических отсчетных и инди­ каторных устройств для систем отображения информации в целях практической реализации их преимуществ связано с решением ряда основных задач: уменьшением инерционности и увеличением быст­ родействия и скорости переключения; уменьшением влияния тем­ пературы на временные характеристики жидкокристаллических ве­ ществ; созданием однородных на большой площади коммутирую­ щих и накопительных жидкокристаллических элементов; разработ­ кой цветных индикаторов на жидких кристаллах. Перспективно применение жидких кристаллов в матричных индикаторах для ото­ бражения больших массивов информации, в автономных перифе­ рийных устройствах информационно-измерительных систем, в уст­ ройствах и системах связи, управления и т. д. Ведутся работы по созданию жидкокристаллических индикаторов с перестраиваемым цветом на эффекте управляемого электрическим полем шага спира­ ли холестерических жидких кристаллов и на эффекте «гость - хозя­ ин» с применением красителей. К перспективным устройствам, основанным на других электрооп- тических эффектах, в первую очередь следует отнести электрохром- ные и лазерно-лучевые индикаторы. Электрохромные индикаторы отличаются высокой контрастностью и четкостью изображения при высоком уровне внешнего освещения, широким углом наблюдения, наличием памяти, они совместимы с интегральной технологией и их можно изготовлять групповым методом, а при увеличении быстро­ действия на их основе можно создавать растровые индикаторы и те­ левизионные экраны. Принцип действия электрохромных индикато­ ров основан на изменении цвета определенных материалов под дей­ 6 9 ствием электрического поля. К таким материалам относятся соедине­ ния, в которых полоса оптического поглощения может быть наведена или существующая полоса изменена под действием электрического поля. Лазерно-лучевые индикаторы относятся к универсальным уст­ ройствам синтеза и воспроизведения изображения. Однако их прак­ тическая реализация сдерживается существующими трудностями в управлении оптическим лазерным излучением. 2. РАБОЧИЕ МЕРЫ И ОТСЧЕТНЫЕ УСТРОЙСТВА ВЫСОКОТОЧНЫХ УГЛОМЕРНЫХ ПРИБОРОВ 2.1. Рабочие меры Рабочие меры являются важными элементами высокоточных угло­ мерных приборов (УП), поскольку они выполняют в приборе роль эта­ лона, с которым осуществляется сравнение угла в процессе его изме­ рения. В связи с этим к рабочим мерам угломерных приборов предъ­ являют определенные требования, наиболее существенные из них: воспроизведение с установленной точностью целых, кратных или дробных значений единицы утла; возможность обеспечения проверки точностных параметров меры; сохранение требуемой точности меры в процессе эксплуатации УП; возможность изготовления меры с учетом существующей техно­ логии в условиях опытного и серийного производства. Рабочие меры УП в соответствии с выполняемыми функциями являются многозначными. В связи с этим к основным метрологиче­ ским параметрам в соответствии с ГОСТ 16263-70 и ГОСТ 8.009-84 относятся следующие: цена деления равномерной шкалы или минимальная цена деле­ ния неравномерной шкалы меры; начальное и конечное значения шкалы меры; диапазон шкалы меры; показатели точности меры; пределы шкалы меры. Для рабочих мер, обеспечивающих выдачу результатов измере­ ний в цифровом виде, метрологическими параметрами являются выходной код, число разрядов кода, номинальная цена единицы наименьшего разряда кода меры и показатели точности меры. По­ 7 0 мимо этого применяемая в конкретном приборе рабочая мера имеет ряд конструктивных параметров и характеристик, определяемых принципом ее построения и характером использования. Один из возможных вариантов классификации рабочих мер, применяемых в высокоточных УП» представлен на рис. 37. Наиболее распространены пространственные меры, имеющие ряд положительных свойств: простоту конструкции, надежность, компактность. Однако применение пространственных мер в высо­ коточных УП, как правило, связано с определенными трудностями. Прежде всего, при использовании пространственных мер про­ цесс измерения больших углов является многоступенчатым. Штриховые —[ РастооЛы с - «| /Ъ т с н ц Ш к 1*зт р и ч с с я и а | Трансформаторные [ Индуктивны* | Рис. 37. Классификация рабочих мер высокоточных УП Это определяется тем, что пространственная угловая рабочая мера при измерении полных углов должна быть размещена в опти­ мальных для использования на практике габаритных размерах УП и на ней не могут быть зафиксированы все дискретные направления, интервал между которыми соответствует угловой чувствительности 71 прибора. Поэтому на рабочей мере с предельной точностью тем или иным способом (например, штрихами) фиксируются дискретные направления со строго определенным интервалом между ними. Определение измеряемого направления относительно меры вы­ полняется в такой последовательности. Сначала положение изме­ ряемого направления относительно поля объекта определяется по мере с точностью до интервала ее дискретности, т. е. снимается грубый отсчет. Затем с помощью дополнительного отсчетного уст­ ройства, в состав которого входит вспомогательная мера, определя­ ется положение измеряемого направления относительно направле­ ний, зафиксированных на мере, - снимается точный отсчет. При этом вспомогательная и основная меры однозначно связаны между собой, а их точностные характеристики соответствуют одна другой. Как правило, в высокоточных УП требуемую точность удается обеспечить при использовании рассмотренной двухступенчатой схе­ мы, однако иногда приходится использовать и трехступенчатую схему. Сложность технологии изготовления пространственных мер также создает определенные трудности. Основное преимущество использования временной меры заклю­ чается в простоте отсчитывания измеренного угла и удобстве пред­ ставления выходной информации, что особенно важно при создании автоматических угломерных систем. Кроме того, высокая точность измерения временных интервалов, достигнутая в настоящее время, позволяет заметно повысить точность угловых измерений. Однако в УП с использованием временной меры требуется обеспечивать ска­ нирование, что приводит либо к необходимой высокой степени ста­ билизации скорости взаимного перемещения изображения визируе­ мого объекта и анализатора, либо к жесткой синхронизации скани­ рующей системы и опорного генератора временной меры. 2.2. Штриховые рабочие меры Традиционными и наиболее распространенными рабочими мера­ ми являются штриховые, представляющие собой последовательность штрихов, нанесенных на рабочую поверхность меры через опреде­ ленные интервалы. В УП применяют круговые штриховые меры - лимбы и линейные шкалы. Лимбы являются основными мерами, а линейные шкалы используются обычно в отсчетных устройствах для 72 определения дробной части интервала основной меры. В некоторых случаях шкалы отсчетных устройств выполняются в виде секторов. В высокоточных УП применяются лимбы исключительно с рав­ номерным нанесением штрихов. При этом для градусной меры штрихи наносятся через 1; 1/2; 1/3; 1/6; 1/12; 1/15°, а для градовой- через 1; 1/2; 1/5 град. Пределы шкалы лимбов составляют полный угол, причем нуле­ вой штрих совпадает с 360-градусным (либо с 400-градовым) штри­ хом. В связи с этим у лимбов пределы и диапазон шкалы меры сов­ падают. Точность лимбов определяется так называемыми погреш­ ностями диаметров - полусуммой погрешностей положения двух штрихов, расположенных через 180° ( 2 0 0 град) по лимбу. Погрешность положения отдельных штрихов в угловой мере оп­ ределяется линейным смещением k штриха при нанесении: s M V ' V . где г - радиус кольца делений лимба. При измерении направлений погрешность положения отдельных штрихов неотделима от погрешностей, вызванных эксцентрисите­ том ё' и неизбежно возникающих как при делении, так при уста­ новке лимба в приборе. Погрешность, вызванная эксцентриситетом, при отсчете по одной стороне лимба е" = (epffsin(M - М 0))/ г, где е - эксцентриситет; М - отсчет по лимбу, соответствующий измеренному направ­ лению; М0 - отсчет, соответствующий направлению, проходящему через центр кольца делений и ось вращения отсчетного приспособления. При М = М0± 90° максимальное значение погрешности, вызван­ ной эксцентриситетом: С * = 73 Как известно, при отсчете по двум диаметрально противополож­ ным штрихам лимба погрешность, вызванная эксцентриситетом, практически полностью исключается, и при оценке влияния неточно­ сти изготовления рабочей меры следует использовать погрешность диаметра, которая с учетом независимости и случайности погрешно­ стей положения противолежащих штрихов определяется выражением где 5„ - погрешность положения штриха лимба, соответствующая отсчёту М; $ ,„+180° - погрешность положения диаметрально противополож­ ного штриха лимба. Основным геометрическим параметром штриха лимба является его ширина. Видимая в окуляр отсчетного устройства ширина штриха Ь0 должна составлять приблизительно 0,1 мм. Следователь­ но, ширина штрихов, наносимых на лимб: где Гм - увеличение оптической системы отсчетного микроскопа. В настоящее время штрихи лимбов высокоточных УП выполня­ ются бифилярными, что позволяет обеспечить более высокую точ­ ность отсчитывания и нанесения делений [1]. Расстояние между бифилярными штрихами желательно иметь (1,5... 2) Ь, видимый ин­ тервал между штрихами находится в пределах (8... 12) Ь. Длину ма­ лого штриха обычно принимают равной 0,6 интервала, а длины средних и больших штрихов определяют из соотношений 1:1,5:2 или 1:1,3:1,7, причем за единицу принята длина малого штриха. Числовые отметки наносят у каждого градусного деления лимба. Ширина штрихов лимбов обычно составляет 2... 5 мкм. Погрешности нанесения штрихов лимба определяются точно­ стью делительной машины, на которой они выполняются, и скла­ дываются из погрешностей: систематической 5]Ь короткопериоди­ ческой 8 )2 и случайной 5]3. Систематические погрешности лимба в значительной мере ис­ ключаются симметричной программой перестановок лимба либо b = Ь0 / Г м, 7 4 введением поправок. Систематическую погрешность можно оце­ нить по эмпирической формуле 5 , , = 5 0 ' / ( а / , ) , (1 ) где £)д - диаметр кольца делений лимба (рабочий диаметр;; Кб - коэффициент, учитывающий бифилярность штрихов; для одинарных штрихов К6 = 1, для бифилярных - Кб= 1,41. Короткопериодические погрешности нанесения штрихов лимба возникают в тех случаях, когда число зубьев глобоидального чер­ вячного колеса делительной машины не совпадает с числом штри­ хов на лимбе. Для этих случаев принимают 512= 4 0 у /? д . (2) Случайные погрешности диаметров лимба зависят от совокупно­ сти многих факторов. Эту зависимость также можно представить эмпирическим выражением « „ = 1 0 0 7 (0 , ^ ) . (3) Суммарное значение полной погрешности рабочей меры находят средним квадратическим суммированием перечисленных погреш­ ностей. Для наиболее совершенных делительных машин погрешность нанесения штриха в линейной мере 4 « 25 мкм. Для среднего значе­ ния диаметра кольца делений лимба, равного 1 0 0 мм, эта погреш­ ность в угловой мере составляет б « что дает погрешность диа­ метра 5d * 0,7 ". С учетом некоторых других факторов полная погрешность диа­ метра лимба указанного размера составляет ~ При увеличении диаметра лимба угловые погрешности нанесе­ ния штрихов могут быть уменьшены. Так, для г = 100 мм предельно достижимая погрешность диаметра высокоточного лимба составля­ ет 0 ,4...0 ,5". Следует отметить, что в современных высокоточных угломер­ ных приборах диаметры лимбов редко превышают 250 мм. У каи- 75 более точного из отечественных теодолитов Т05 диаметр кольца делений горизонтального лимба D4 = 180 мм. Для обеспечения ста­ бильности и жесткости лимба из оптического стекла на практике найдены следующие соотношения его геометрических параметров: внешний диаметр D ~ 1,ШД) внутренний диаметр d= (0,3... 0,7) Д толщина t — (0,1...0,05) D. Линейные шкалы для отсчетных приспособлений имеют цену деления, производную от цены деления, лимба и определяемую при расчете отсчетного устройства. Диапазон шкалы соответствует цене деления лимба, а пределы ее несколько больше диапазона за счет дополнительных штрихов, выполняемых по обе стороны шкалы для определения крена отсчетного устройства. Точностные характеристики линейных шкал определяются воз­ можностями продольных делительных машин. Современные маши­ ны обеспечивают погрешность нанесения штрихов приблизительно 2 мкм при длине шкалы до 1000 мм. Поскольку шкалы отсчетных устройств УП значительно короче - 50... 100 мм, погрешность их изготовления составляет 0,5... 1 мкм. Соотношения между шириной и остальными геометрическими параметрами штрихов аналогичны рассмотренным выше. К конструкциям узлов крепления лимбов предъявляют опреде­ ленные требования, направленные на обеспечение надежности за­ крепления и устранения возможных деформаций при эксплуатации. Соединение стекла лимба с оправой должно быть нежестким, но достаточно плотным. Значения коэффициентов линейного расши­ рения материала оправы лимба и стекла должны быть близкими между собой. Между оправой лимба и деталями осевой системы, если они изготовлены из материалов с разным коэффициентом ли­ нейного расширения, может быть предусмотрен защитный пояс уп­ ругости, компенсирующий деформации при изменениях температу­ ры среды. Поверхность базирования лимба в оправе должна быть обработана таким образом, чтобы не деформировать лимб при кре­ плении. В конструкции крепления лимба обычно предусматривает­ ся пригонка перпендикулярности рабочей поверхности круга по от­ ношению к оси вращения. Все штриховые лимбы устанавливаются с возможностью их кру­ говой перестановки в целях измерения углов на различных участках лимба для ослабления влияния погрешности делений на результат 76 измерения. Существуют два варианта конструкции крепления стек­ лянного лимба в высокоточном УП (рис. 38). Аналогично лимбам крепятся в металлических оправах и другие детали из стекла, например, линейные рабочие меры - шкалы, ли­ нейки и др. Штриховые меры в УП с фоторегистрацией принципиально не отличаются от рассмотренных. Рис. 38. Конструкции крепления стеклянного лимба: а - с использованием защитного пояска упругости ПУ оправы; б - с использованием упругой прижимной детали Штриховые меры для фотоэлектрических преобразователей обычно выполняются с большим числом штрихов и не имеют чи­ словых отметок. При этом возможны меры с темными штрихами на светлом фоне и со светлыми на темном, а также меры с шириной штрихов, равной ширине интервала между штрихами. 2.3. Кодовые рабочие меры Кодовые рабочие меры строятся на принципе соответствия каж­ дому их дискретному угловому или линейному положению одной цифровой кодовой комбинации. Цифровые коды могут быть реали­ зованы на основе любой системы счисления, однако на практике наибольшее применение получили двоичные и двоично-десятичные коды различных видов. 7 7 Наиболее простым из них является естественный двоичный код. При построении меры в этом коде весь диапазон изменения угла или линейного перемещения разбивают на равные интервалы (шаги квантования) и каждому интервалу ставят в соответствие двоичное число. При этом шаг квантования должен соответствовать угловому 5 или линейному Л разрешению меры. Кодовые шкалы угломерных приборов обычно представляют собой стеклянные круги или пластинки, на которых выполнена система при­ мыкающих одна к другой разрядных дорожек - кольцевых или линей­ ных - с прозрачными и непрозрачными участками. При этом число таких участков от разряда к разряду увеличивается в 2 раза (рис. 39). С читывающ ие б) Рис. 39. Шкала меры на основе простого двоичного кода 78 Число разрядов кодовой шкалы определяется выражениями: для круговой кодовой шкалы (рис. 39, а) где L - длина шкалы. Как видно из рисунков, каждому положению кодовой шкалы соот­ ветствует вполне определенное двоичное число. Считывание инфор­ мации (рис. 40) с кодовой шкалы 3 осуществляется с помощью линей­ ки 5 фотодиодов, размещенных за узкой щелью 4. Подсветка щели осуществляется источником света с использованием конденсора 2 . Число фотодиодов линейки 5 соответствует числу разрядных дорожек. Р к = b g 2(360° /5) для линейной кодовой шкалы (рис. 39, б) Р , = !og 2 ( L / А), И IN I 1 1 4 -5 м о т в о Рис. 40. Оптическая схема кодового преобразователя 79 Основным недостатком шкал с естественным двоичным кодом является то, что на некоторых участках кодовой маски два соседних числа могут отличаться значениями всех или большинства своих разрядов. В связи с тем, что шкалы изготовляются с определенными погрешностями, а считывающие элементы устанавливаются в пре­ делах некоторого допуска, на указанных участках могут возникать большие погрешности. Устранения этих погрешностей считывания добиваются либо за счет получения избыточной информации путем использования более чем одного ряда считывающих элементов с последующей логической выборкой сигналов с них, либо за счет использования специальных однопеременных кодов с последовательным изменением только одной двоичной единицы. Первый путь состоит в использовании методов «двойной щетки» и V-образного расположения считывающих элементов (V-код). Метод «двойной щетки» основан на использовании двух считы­ вающих элементов на каждый разряд, кроме младшего, причем счи­ тывающие элементы располагаются симметрично относительно оси считывающего элемента младшего разряда на расстоянии от нее, равном половине интервала младшего разряда (рис. 41). При этом считывание выполняется в соответствии со следующим правилом: если в младшем разряде фиксируется «О», то сигналы с других раз­ рядов снимаются с опережающего ряда считывающих элементов, если же в младшем разряде фиксируется « 1 », то - с отстающего ря­ да считывающих элементов. Однако в этом методе допуск на установку всех считывающих элементов достаточно жесткий, особенно при высокой разрядности кодовой шкалы, что является недостатком метода «двойной щетки». Рис. 41. Шкала меры со считыванием по методу «двойной щетки» 8 0 Суть метода V-образного расположения считывающих элементов поясняется рис. 42. В младшем разряде, так же как и в предыдущем случае, используется один считывающий элемент. Во всех остальных разрядах - два элемента, причем расстояние между ними равно ин­ тервалу предыдущего разряда со стороны младшего. Вследствие это­ го по мере удаления от младшего разряда расстояние между считы­ вающими элементами в паре увеличивается. Рис. 42. Шкала меры со считыванием в V -коде Считывание со шкалы V - кода выполняется в соответствии со следующим правилом: если в i-м разряде фиксируется «О», то счи­ тывание в (i + 1 )-м разряде выполняется с «опережающего» элемен­ та, если же в i-м разряде фиксируется « 1 », то считывание в (i + 1 )-м разряде осуществляется с «отстающего» элемента. Преимущество V-кода заключается в расширении допусков на изготовление шкалы и установку элементов при переходе к сосед­ нему старшему разряду. Вместе с тем, поскольку код самого стар­ шего разряда может быть определен только после того, как опреде­ лены коды всех предыдущих разрядов, время преобразования уве­ личивается, и это сказывается на быстродействии УП. В какой-то степени отмеченные недостатки обоих методов мож­ но устранить, если расположить считывающие элементы по прямой линии и увеличить вдвое число кодовых дорожек всех разрядов, кроме младшего. При этом в получившихся подразрядах структуры элементов должны быть сдвинуты в соответствии с указанными выше правилами считывания. Это так называемый двоично­ сдвинутый код. Однако в этом случае требуется преобразование кодов в естественный двоичный код. Кроме того, структура шкалы существенно усложняется. 81 Второй путь устранения неоднозначности считывания заключается в применении кодов, в которых переход от одного шага квантования к другому сопровождается переменой кода только в одном разряде. Эти коды получили название рефлексных (отраженных), посколь­ ку у них значения цифр в любом младшем разряде являются зеркаль­ ным отражением по отношению к метке, проходящей через границу изменения числа в старшем разряде. Среди подобных кодов наибольшее распространение получил двоичный циклический код (код Грея). Рис. 43. Шкала меры на основе двоичного циклического кода (кода Грея) Структура шкал, построенных на основе этого кода, показана на рис. 43. Преобразование числа, записанного в естественном двоич­ ном коде, в циклический двоичный код выполняется по формуле bt = а , ® а м , где Ь, - двоичное число разряда циклического кода; Qi - двоичное число разряда естественного двоичного кода; ® - знак сложения двоичных чисел без учета переноса в стар­ ший разряд. Если i = п, то ап — Ь„, так как а„+1= 0. Как видно из рис. 43, при переходе к очередному шагу квантования происходит смена цифры только в одном из разрядов, и, таким обра­ зом, погрешность неоднозначности не превышает единицы младшего разряда. Кроме того, преимущество рассматриваемого кода заключа­ ется в том, что длина прозрачных и непрозрачных участков всех раз­ 82 рядов, кроме старшего, в 2 раза больше, чем у шкал с естественным двоичным кодом. Это позволяет повысить разрешающую способность вдвое по сравнению с естественным двоичным кодом. К недостаткам мер с циклическим кодом следует отнести жесткие допуски на их изготовление и регулировку считывающих элементов, а также необходимость применения специальных преобразователей в естественный двоичный код, реализующих следующее правило: При i = п а„ = Ь„@ a п+1; так как а п+, = 0, то а„ = ЪП)и далее Таким образом, преобразование числа из циклического кода в естественный двоичный код происходит последовательно, начиная со старшего разряда. В связи с тем, что в вычислительных устройствах последова­ тельного действия арифметические операции над последователь­ ными кодами выполняются, начиная с младшего разряда, требуется полученную с циклического преобразователя информацию преоб­ разовать в естественный двоичный код, зафиксировать его, а затем вводить в вычислительное устройство, начиная с младшего разряда, предварительно выполнив операцию по оборачиванию кода. Это усложняет схему и снижает быстродействие системы. Считывание в циклическом коде можно выполнить и с обычной кодовой шкалы при соответствующем расположении считывающих элементов на разрядной дорожке, поскольку благодаря повторяю­ сь =bt ® a M ai = bt е ам = ъм е bi+2.. .0 ьпЧ е ьп или 83 щейся комбинации прозрачных и непрозрачных участков возможно Кк. 1 различных положений считывающего элемента на к-й разряд­ ной дорожке. Это обстоятельство используется при создании малогабаритных преобразователей, когда считывающие элементы из конструктив­ ных соображений невозможно разместить на одной прямой. Помимо двоичных кодов существуют коды и с основаниями больше двух (троичный, четверичный, пятеричный), применение которых позволяет уменьшить число разрядовых дорожек. Недос­ татками этих кодов по сравнению с двоичными являются увеличе­ ние числа считывающих элементов, жесткие допуски на положение этих элементов, необходимость использования специальных преоб­ разователей для перевода информации, полученной в соответст­ вующем коде, в двоичную систему. Поэтому эти коды не получили широкого распространения. Если наряду с передачей информации в ЭВМ необходимо пред­ ставлять ее в удобном для оператора виде, применяют двоично­ десятичные коды (рис. 44). Шкалы этих кодов в простейшем случае имеют четыре разрядных дорожки для кодирования чисел от 0 до 9 и необходимое число дорожек для кодирования десятков: 1 0 -2 °, 1 0 -2 1, 1 0 -2 2 ит. д. При этом кодирование осуществляют любым двоичным кодом, в связи с чем системы с двоично-десятичным кодом имеют такие же преимущества и недостатки, которые присущи используемому дво­ ичному коду. I е г1 1г 2J w-г' юг1 Рис. 44. Шкала меры на основе двоично-десятичного кода I Щ i f f , Я S L H 1 ',., 1 т m № /.Vbv, S i ш т ш т ... ......... ................. .... I f g 84 Для повышения надежности считывания информации разработа­ ны так называемые безопасные коды, в которых для контроля ис­ пользуется избыточная информация. К числу этих кодов относятся коды «2 из 5» и «5 из 10». Код «2 из 5» (рис. 45, а) всегда состоит из комбинации двух не­ прозрачных и трех прозрачных участков, а код «5 из 10» (рис. 45, б) - из равного числа тех и других. При ошибочном считывании появится большее или меньшее, чем нужно, число двоичных единиц, что по- зводяет легко выявить ошибку. Рис. 45. Безопасные коды: а - код «2 из 5»; б - код «5 из 10» В настоящее время разработаны корректирующие коды, которые наряду с выявлением ошибок позволяют их исправить. Это слож­ ные коды, в которые введены дополнительные разряды, а на выходе по определенной логической схеме образуются вспомогательные суммы, по которым можно определить разряд, в котором при счи­ тывании произошла ошибка. Как уже отмечалось, рабочие меры в виде кодовых шкал выпол­ няются на стеклянных подложках. Вопросы технологии изготовле­ ния и контроля кодовых рабочих мер рассмотрены в работе [2 ]. Число штрихов младшего разряда определяется угловым разре­ шением 5: N = 360°/ б. 85 В зависимости от требуемого разрешения, пользуясь табл. 2, можно определить разрядность диска р. Линейный размер с про­ зрачного или непрозрачного участков младшего разряда при из­ вестном диаметре D диска можно найти из выражения с = тФ / N. Если взять максимальный из рекомендованных в п. 2.2 значений D= 250 мм, то при 8 = 1 " необходимо применять 20-разрядный кодо­ вый диск, у которого с » 0,37 мкм. Помимо того, что изготовить такой диск нельзя, практически невозможно считать с него информацию, поскольку ширина считывающей щели должна быть еще меньше. Т а б л и ц а 2 Разрядность диска р Число штрихов младшего разряда N Шаг квантования 8 1 0 2 048 10' 32,8" 1 1 4 096 5'16,4" 1 2 8 192 2'38,2" 13 16 384 Г 19,1" 14 32 768 39,6 " 15 65 536 19,8" 16 131 072 9,89" 17 262 144 4,94" 18 524 288 2,47" 19 1 048 576 1,24" 2 0 2 097 152 0,64" При указанном значении D предельно допустимо получение 16- разрядного кодового диска, у которого с ~ 6 мкм. Таким образом, реальный предел разрешения рабочей меры в виде такого кодового диска составляет около 1 0 ". Для линейных кодовых шкал, которые могут быть использованы в качестве вспомогательных мер, линейное разрешение определяется зна­ чением Д = 3...10 мкм. Исходя из этого может быть найдена длина L шкалы при известном числе уровней квантования измеряемой величины. 86 Из рассмотренного следует, что кодовые преобразователи в вы­ сокоточных УП целесообразно использовать в качестве систем гру­ бого отсчета, что имеет место в настоящее время при создании вы­ сокоточных угломерных систем. 2.4. Растровые рабочие меры Растровые рабочие меры представляют собой преобразователи ли­ нейных или угловых перемещений, основанные на измерении смеще­ ний комбинационных полос в растровом сопряжении. Как известно, при наложении одной растровой структуры на дру­ гую наблюдается муаровый эффект, который при определенных соот­ ношениях между элементами растров и параметрами их взаимного ориентирования носит упорядоченный характер. При этом для малых взаимных угловых или линейных перемещений растров имеет место значительно большее смещение муаровых (или комбинационных) по­ лос. В этом заключается основное преимущество растровых преобра­ зователей, позволяющих обеспечить большой масштаб преобразова­ ния при измерении малых перемещений. При высокоточных линейных и угловых измерениях применяют ограниченное число растровых сопряжений. Для измерения малых линейных перемещений используются со­ пряжения двух линейных растров с параллельными штрихами. В работе [2] показано, что шаг комбинационных полос при сопряже­ нии двух линейных растров в общем виде определяется выражением д/cof +«2 -2{o,co2cosa где ©! и со2 - шаги сопрягаемых растров; a - угол между направлениями штрихов растров. Коэффициент преобразования перемещения (масштаб преобразо­ вания), показывающий, во сколько раз смещение полосы больше вза­ имного смещения растров, определяется как Ю1 -ко* -2cd,co2 cosa 87 В табл. 3 показаны виды сопряжений растров, которые могут быть использованы в качестве рабочих мер в УП. Из сопряжений линейных растров представляют интерес нониус- ное и муаровые двух видов. Преимуществом муарового сопряжения с <В| = й2 = № и а ^ 0 является возможность изменения шага комбина­ ционных полос за счет незначительного изменения угла а. Т а б л и ц а 3 Сопряжение растров, применяемых в качестве рабочих мер в УП Вид сопрягаемых растров Ввд сопряжения Шаг комбинационных по­ лос Коэффициент преобразования Линейные с парал­ лельными штрихами Нониусное О) = со; w2 = ш+Дсо; а = 0 со((о + Д ю ) W = - + ----------- Аю со +А (о Дш Муаровое а) сс>1 = а>2 = ю; 0 б) Ю] = со; со2 = cocosa; а * 0 « W = 2 s in (a / 2 ) W ~ со ctga 1 2 sin {а /2 ) Г — ctga Радиаль­ ные Нониусное радиально­ центральных растров (Oi*cd2;c = 0 со,со, а = -----* - 2 _ ®2 -°> 2 си, Г = -------1— озг - и , Муаровое радиально­ центрального и ради­ ально-нецентрального растров OJj = со2 = со; с = 0 та W * — 9 1 Г * — 9 Спираль­ ные Муаровое N- заходного спирально­ го растра с семейст­ вом равноотстоящих окружностей 2п £1 = — N Г = 1 Муаровое спиральных растров с одинаковым направлением спира­ лей 2 кп ------------- К - ^ , 1 Частным случаем этого сопряжения является обтюрационное со­ пряжение (при а = 0 ), для которого имеет место линейная зависи­ мость пропускания излучения при смещении одного из растров от­ 88 носительно другого. Применение этого сопряжения целесообразно при со > 0,05 мкм, так как при меньших значениях шага на качестве сопряжения сильно сказываются погрешности растров, неточность масштаба, непараллельность светового пучка. Поэтому обтюраци- онное сопряжение иногда применяют в качестве грубой ступени отсчетного устройства. Угловые растровые рабочие меры выполняются на основе со­ пряжений радиальных и спиральных растров (см. табл. 3). Среди сопряжений радиальных растров наиболее интересны нониусное сопряжение радиально-центральных растров и муаровое сопряже­ ние радиально-центрального и радиально-нецентрального растров. Преимуществом нониусного сопряжения является линейная за­ висимость углового перемещения комбинационных полос от угла поворота одного из растров. При муаровом сопряжении радиальных растров, указанных в табл. 3, шаг комбинационных полос изменяется в зависимости от радиуса растра. Однако в пределах одного комбинационного кольца можно считать средний линейный шаг растра постоянным, причем где pi и р2 - соответственно внутренний и наружный радиусы рас­ трового кольца; w - угловой шаг растров. Шаг муаровых полос Радиус окружности, являющейся касательной к штрихам ради­ ально-нецентрального растра: где $ = arcsin W = w / & , p ^ in w 89 p .p ,s m w a r c s m - - 2 p 1p 2c o sw + p 2 Положение комбинационной полосы на растровом кольце в пре­ делах от pi до р2 распределяется как s ~ Wa / w, где а - угол поворота подвижного растра. Если число линий радиального растра меньше 100, что мешает по­ лучить требуемую плавность изменения функции пропускания растро­ вого сопряжения, то более целесообразно использовать спиральные растровые сопряжения. При этом в качестве параметра спирального растра принимается число ДА заходов спирали. Погрешность растровой меры определяется погрешностью изго­ товления растров и погрешностью, вызванной неточностью сборки растрового сопряжения. Погрешность растра является суммой погрешностей шага, ширины и направления штрихов. Каждая из этих погрешностей включает слу­ чайную, периодическую и накопленную составляющие погрешности. Погрешность шага штрихов растра является наиболее сущест­ венной, поскольку влияет на изменение интервала комбинационных полос и таким образом оказывает непосредственное воздействие на результат измерений. Случайные составляющие погрешности шага возникают за счет не­ постоянства кинематических характеристик делительной машины, ко­ лебаний, вибраций отдельных ее частей и не могут быть устранены. У существующих делительных машин значение случайной составляю­ щей равно 0,3... 0,5 мкм. Периодические и накопленные составляющие погрешности шага определяются соответствующими погрешностями делительной ма­ шины и могут быть уменьшены ее регулировкой и стабилизацией технологического процесса изготовления. Погрешность ширины штрихов оказывает влияние на световую характеристику растрового сопряжения, т. е. на зависимость про­ пускания от взаимного смещения растров. Эта погрешность осо­ бенно заметно сказывается в измерительных системах с интерполя­ цией доли интервала комбинационной полосы. 90 Погрешность направления штрихов приводит к искривлению комбинационных полос и изменению их ширины. Погрешности, вы­ званные неточностью сборки, возникают вследствие непараллельно- сти плоскостей измерительного и индикаторного растров, колебаний их в процессе движения. На измерение угловых перемещений влияет радиальное и торцовое биение лимбов, кроме того, могут проявиться и отклонения от плоскостности заготовки, на которую нанесен растр. 2.5. Электромеханические преобразователи Электромеханические преобразователи могут выполнять функ­ ции рабочих мер в УП автономно или в сочетании с другими мера­ ми. Некоторые типы электромеханических преобразователей ис­ пользуются для измерения полных углов. Из существующих преоб­ разователей наибольшее применение находят потенциометриче­ ские, трансформаторные и индуктивные. Основные свойства электромеханических преобразователей ука­ заны в табл. 4. Т а б л и ц а 4 Вид пре­ образова­ теля Схема включения Диапазон преобра­ зуемых переме­ щений Основные соот­ ношения Погрешность измерения 1 2 3 4 5 Потен­ циомет­ рический Нен такт d Uo с агружен ная р лъя одно- 1 1 I vi, о ср и ‘ Для одно­ оборотных «300° Для мно­ гооборот­ ных до 7200° U , : = I V — , и р где а - перемеще­ ние движка по- тенциомегра; cip - максимальное перемещение движка потен­ циометра Для однообо­ ротных преоб­ разователей 0,1. „О, 2%. Для много­ оборотных преобразова­ телей 0,03. .0,05 % 91 Продолжение табл. 4 Потен­ циомет­ рический Нагруженная однотактная С усилителем с обратной связью R- д ri>|±g_-C~h и.OVR. Для одно­ оборотных <300° Для мно­ гооборот­ ных до 7200° U , := U 0 -сгх х____У ...... ст • (l - сг) + у ’ где а = а/ар; У = R«/RP; R„ - сопротивле­ ние нагрузки; Rp - сопротивле­ ние потенциомет- £5___________ U , : = U 0 а ct. Относитель­ ная погреш­ ность 5 := 52 х О-8) 6 • (i—б)+ Y 0,05...0,1 Транс­ форма­ торные: вращаю­ щиеся транс­ формато­ ры (ВТ) Синусно-косинусных ВТ -и ±180° Ei=K,-U sina; E2=KtUcosa, где К, - коэффи­ циент трансфор­ мации; а-угол поворота ротора 0,05. ..0,2% Линейных ВТ ±60° U,:=0 U 2 := U , ■ к х s in aх ------------- . 1 + к , • c o s a где к - коэффи­ циент пропор­ циональности 0,05... 0,2% 92 Продолжение табл. 4 Много- полюс­ ные ВТ i ±180° Евых = Ep-sin (р-а), где Ер- макси­ мальное значе- нисЭДС______ 0,5... 5' Индикаторный режим включения ■ ж # Сельсины Трансформаторный режим включения ч ! Э ь X 4* Двухканальный транс­ форматорный режим включения 1ft Ь тЬм - j а ь О.. .360° E,=FviCosa; E2=Emcos(a+] 20°); E3=Era-cos(a+240°), где Em - макси­ мальное значение ЭДС в фазовой обмотке ротора; а - угол поворота ротора 0,25(0,07%). .1° (0,3%) Mc=Mcma*-siny; y=P-a, где Мс - синхро­ низирующий момент; Метах - максимальное значение Me; a - угол поворота ротора сельсина- датчика (СД); р - угол поворота ротора сельсина- приемника (СП) UBbIX Etmax’COSy, Y=p-a, где Ешах - макси­ мальное эффек­ тивное значение ЭДС в обмотках сельсина-транс- форматора (СТ) Uro=Erm„-siny; UTO=E™,«sin(iy), где Uro - выходное напряжение кана­ ла грубого отсче­ та; Ur» - выходное напряжение кана­ ла точного отсче­ та; i - передаточ­ ное отношение редуктора_______ 0,5...1,5° 0,25...0,75° 93 Окончание табл. 4 Статор Индукци­ онные редукто- сины 'ЛГигг? Ротор Индукто- сины 0...3600 и„нч =л/2 -и„шх х sin (npa ) x х sin(o>t + у ) , где и та)< - мак­ симальное зна­ чение выходного напряжения; пр- передаточное отношение элек­ трической ре­ дукции; \у - зна­ чение начально­ го фазового сдвига_________ Ub«=I<-U cos(6-p-a)x xsin( где / - максимальный просвет между угольниками. При использовании этой формулы необходимо учитывать, на ка­ кой части длины Н определяют отклонение, и сделать пересчет на полную длину Н проверяемого угольника. 3.1.2. Измерение углов с помощью рычажно-механических и рычажно-оптических приборов Проверка внешнего угла поверочного угольника 90° методом «трех угольников». На поверочной плите не ниже класса точности 1 укрепляют при помощи струбцины цилиндрический ролик из­ 100 вестного диаметра d (рис. 49). У поверяемых трех угольников при помощи микрометра предварительно измеряют размер п на рас­ стоянии 2 - 3 мм от свободного конца длинной стороны. Затем по­ веряемые угольники 1 - 3 устанавливают и закрепляют струбцина­ ми на плите попарно в трех положениях, указанных на рисунке, по­ сле чего измеряют размеры А рычажным или гладким микромет­ ром. Отклонения Аь Л2 и Д3 сторон внешних углов угольников от взаимной перпендикулярности в миллиметрах на длине Н опреде­ ляют из уравнений Д ,2д,=- П, J Рис. 49 Аттестация образцового угольника-квадрата. Образцовый угольник-квадрат поверяют на поверочной плите класса точности 1 с укрепленными на ней рычажно-механическим прибором с ценой деления 0,001 мм и цилиндрическим упором (рис. 50). Установку на нуль выполняют по углу а , а на остальных углах определяют от­ клонения от первоначальной установки. 101 ® ° л = > I Л оч г у " Рис. 50 Пример. Определяем отклонения углов Р, у и ф от угла а. Пред­ положим, что эти отклонения соответственно равны 3, 2 и - 2 мкм. Тогда отклонения углов р, у и ф от 90° составят: 8 р = 8 а + 3 мкм; 8у = 5а + 2 мкм; 5ф = 8 а - 2 мкм. Сумма углов четырехугольника а + Р + у + ф =360°. Сумма отклонений всех четырех углов от 360° равна нулю, следовательно, ба + бр + бу + бср = 0. Это равенство можно написать иначе, если подставить ранее оп­ ределенные выражения для отклонений: ба + (ба + 3) + (ба + 2) + (ба - 2) = 0. Из этого уравнения находим, что отклонения от 90° углов соста­ вят: 8 а = -0,75 мкм; 5р = 5а + 3 = 2,25 мкм; 8 у = 8 а + 2 = 1,25 мкм; 5ф = 8 а - 2= -2,75 мкм. Измерение поверочного угольника 90° на плите с помощью рычажно-механического прибора. Применяют метод сравнения с образцовым угольником. Вначале по описанному методу (см. рис. 50) устанавливают образцовый угольник до упора и настраи­ вают измерительный прибор на нуль. Затем вместо образцового 102 угольника ставят в такое же положение до упора поверяемый угольник. Отсчет по прибору покажет отклонения поверяемого внешнего угла угольника от угла образцового угольника. Поверка угольников на установке УПУ-2. Установку применя­ ют для определения методом непосредственной оценки отклонения от перпендикулярности наружных и внутренних углов поверочных угольников 90°. измерительный стержень 7. Перемещение измерительного чаг 9, подвешенный на крестообразно расположенных плоских пружинах. Неподвижный измерительный стержень 3 закреплен в нижней каретке 16 с помощью изолирующей втулки 4. Оба измери­ тельных стержня не должны отличаться по длине более чем на 0,8 мкм. Их цилиндрические поверхности имеют радиус, равный половине длины стержня, что исключает влияние их взаимного пе­ рекоса на погрешность установки. Нижний измерительный стержень 3 электрически связан с управляющей сеткой лампы 10 типа 6Е5С, предназначенной для индикации момента контакта поверяемого угольника с неподвиж­ ным стержнем 3. При контакте поверяемого угольника 14 с измери­ тельным стержнем 3 угольник входит в контакт и с верхним изме­ рительным стержнем 7 и, преодолевая сопротивление пружины 12, перемещает его. На чугунной станине 1 (рис. 51) размещены два ребристых регули­ руемых столика 2 с доведенными рабочими поверхностями. В ста­ нине запрессована вертикальная колонка 5 с двумя диаметрально расположенными шпоночными пазами и трапецеидальной резь­ бой. Вращением гайки 6 можно плавно регулировать положение верхней измерительной каретки 15, в которой на двух плоских пружинах 8 укреплен подвижной Рис. 51 стержня 7 воспринимает рычаж­ но-зубчатая головка 1 1 через ры- 103 В момент контакта, когда секторы лампы 10 начинают вибриро­ вать, снимают отсчет по головке 11. Отсчет делают дважды - в по­ ложениях I и II поверяемого угольника. При переводе угольника из положения I в II рычагом 13 переводят пружину 12 в нейтральное положение. В этом случае измерительный стержень 7 перемещается под действием только пружин головки 11 и рычага 9. За погрешность угольника принимают полуразность отсчетов в положениях I и II. При измерении внутренних углов нижнюю каретку 16 подымают на соответствующую высоту и используют для проверки ее ниж­ нюю доведенную поверхность. При измерении угольников высотой более 400 мм установку рас­ полагают на поверочной плите. Обе каретки 15 и 16 поворачивают вокруг оси колонки 5 на 90° и закрепляют на соответствующих высо­ тах, а поверяемый угольник базируют на поверочной плите. Наличие в установке электронного индикатора контакта 10 позво­ ляет стабилизировать измерительное усилие и исключить погрешно­ сти, вызванные деформациями колонки, измерительных стержней и угольников. Усилие пружины 12 вдвое превышает сумму сил голов­ ки 11 и рычага 9, поэтому в обоих положениях поверяемого угольни­ ка измерительное усилие одинаковое, равное 300 ± 10 сН. В качестве отсчетного устройства 11 применена рычажно­ зубчатая головка типа 2ИГ с ценой деления 2 мкм. Погрешность установки ±3 мкм. Установка может бьггь использована для поверки угольников типов УП и УШ классов точности 1 и 2 высотой до 600 мм по ГОСТ 3749-77. Поверка угловой меры на приборе КПУ-3. Поверку осуществляют методом сравнения с угловой мерой. Два шариковых упора (рис. 52) закреплены на пово­ ротном рычаге 4, который ус­ танавливают по специальной круговой шкале на номиналь­ ный размер угловой меры и закрепляют стопорным винтом. На измерительной планке 2 за­ креплены третья шариковая опора 3 и измерительная голов­ 104 ка 1. Измерительная планка 2 закреплена на плоских пружинных под­ весках (на рисунке не показаны), которые обеспечивают строго парал­ лельное перемещение планки и постоянство измерительного усилия. Образцовую меру 5 прижимают к трем шариковым опорам. После это­ го с помощью микроподачи устанавливают нулевое показание измери­ тельной головки 1. Разность показаний &h измерительной головки от­ считывают после замены образцовой меры 5 поверяемой 6 . Искомая разность углов 5а может быть определена по формуле М 5а = — -2,06-105, / где 2,06 1 0 5 - постоянный коэффициент при переводе радиана в секунду (округленно ~ значение 206265). Как видно из формулы и схемы, 5h зависит только от 5а и / и не зависит от смещения сравниваемых мер относительно опор рыча­ га 4. Шкалу измерительной головки градуируют в угловых секун­ дах. Приборы КПУ-3 конструкции ХГНИИМ выпускают с ценой деления 10" и пределами измерений 10 - 100°. Предел погрешности сравнения угловых мер с одинаковыми номинальными углами ±3". Измерение угловой меры на вертикальном оптиметре. В осно­ ву метода положено равенство внутренних накрест лежащих углов, образованных пересечением двух параллельных прямых третьей. Ес­ ли угол исходной (образцовой) меры щ равен рабочему углу ая при­ тертой к ней поверяемой меры (рис. 53, а), то свободные образующие их углов параллельны между собою. Притертые две угловые меры 3 и 4 (рис. 53, а) укладывают на ребристую поверхность столика 2, укрепленного на круглом столике 1 вертикального оптиметра. На оптиметре делают отсчет в положении I блока угловых мер, затем в положении П. Разность между отсчетами даст значение 5h. Абсолютное отклонение угла поверяемой меры (в секундах) оп­ ределяют по формуле 8 h ЬаП = — -2,06-Ю5 + (+ д), где / - длина перемещения блока угловых мер из положения I в по­ ложение II (около 70мм); 105 А - погрешность рабочего угла аттестованной исходной (образ­ цовой) угловой меры. 4 -___ й____и :Ш Ю к Рис. 53 Если оценивать погрешность оптиметра ±0,2 мкм и учесть, что при этом методе делают два отсчета, то после квадратичного сум­ мирования погрешность прибора составит 0,00056 мм. Тогда по­ грешность метода измерения без учета погрешности аттестации об­ разцовой угловой меры 8 а я — 0,00056 70 206265 = ±1,6". (4) С учетом погрешности аттестации образцовой меры (от ±3" до ±4") погрешность метода составит около ±5". На рис. 53, б изображена схема измерений на вертикальном оп­ тиметре угловой меры с четырьмя рабочими углами на специальном 106 приспособлении. Боковые стороны планки 5, к которым прикреп­ ляют угловые меры, должны быть параллельными. Регулируя вин­ том 6 , устанавливают планку в такое положение, когда оптиметр даст одинаковые показания в положениях I и II по образцовой угло­ вой мере 4. Тогда, если угол а п является дополнением к углу 180°, оптиметр должен давать одинаковые показания в положениях I и II по поверяемой угловой мере 3. В противном случае разность пока­ заний укажет на погрешность угла ап, которую можно подсчитать по формуле (4). Погрешность метода составляет ±10". Четырехугольные меры можно поверять также с помощью специ­ альной линейки 8 (рис. 53, в) и державок 7 и 9. Поверку всех углов четырехугольных мер выполняют по длинной стороне меры. Образ­ цовую угловую меру 4 короткой стороной, образующей угол осо, кре­ пят державкой 7 к рабочей поверхности специальной линейки 8 . К этой же линейке на расстоянии 0,5 - 1 мм от образцовой меры крепят державкой 9 поверяемую угловую меру 3 также короткой стороной, образующей угол ап =180° - ао. При сборке блока угловых мер сле­ дует следить за тем, чтобы обе угловые меры находились примерно в одной плоскости. Для этого собранный блок нерабочими сторонами укладывают на плоский брусок и в таком положении каждую меру слегка прижимают крепежными винтами державок к линейке, после этого брусок удаляют, а меры жестко крепят указанными винтами. Собранный блок устанавливают на ребристый столик 2 вертикально­ го оптиметра и определяют продольную непараллельность блока, как при поверке угловых мер с одним аттестованным углом. 3.1.3. Пневматический метод контроля конусов Метод заключается в том, что на определенной длине I пневма­ тическим методом измеряют два диаметра - в двух сечениях. На рис. 54, а дана измерительная головка для внутренних измерений, а на рис. 54, б — для наружных измерений конусов. Каждая измери­ тельная головка Имеет независимые друг от друга сопла на расстоя­ нии /: по два сопла для внутренних измерений и по одному для на­ ружных измерений. Каждые два (или одно) сопла связаны с незави­ симыми друг от друга, но расположенными в одной плоскости от- счетными устройствами пневматического прибора с водяным ма­ нометром. 107 Измерение сводится к определению разности уровней жидкости в обоих отсчетных устройствах. Измерение выполняют методом срав­ нения с образцами — конусной втулкой 1 или конусной пробкой 2 . 3.1.4. Контроль конусов методом припассовки по краске Метод применяют при проверке конусов. Конусный калибр- пробку, являющуюся образцовой мерой, покрывают тонким слоем краски, разбавленной машинным маслом, и вводят в проверяемое отверстие. После поворота пробки выступающие части поверхности отверстия окрасятся. По равномерности окраски можно судить о точности конуса отверстия. Для конусного отверстия необходимо также проверить его осевое смещение, о чем можно судить по размерам одного из диаметров на торцах изделия. Для этого на образцовом калибре-пробке делают две кольцевые риски - допускаемые предельные размеры большого диа­ метра на торце изделия. Изделие признают годным, если большой б) Рис. 54 108 диаметр торца изделия лежит между двумя кольцевыми рисками. Аналогичным методом проверяют наружные конусы изделий. 3.2. Методы и средства измерения координат, образующих угол, и расчет угла с использованием тригонометрических функций Практически эти методы сводятся к измерению линейных величин и расчету искомого угла с использованием функций синуса и тангенса. 3.2.1. Координатный метод измерений наружного конуса на универсальном микроскопе На универсальном микроскопе с применением прямых ножей 1 - 4 (рис. 55) измеряют размеры d, D a l . Рис. 55 Метод построен по тангенсной схеме измерений. Погрешность из­ мерений уменьшается с увеличением угла измерения. Например, при образующих длиной 1 0 - 2 0 0 мм погрешности измерений колеблются в пределах ±(130 - 7)" при измерений углов 0 - 45° и ±(100 - 5)" при из­ мерении углов свыше 45 - 90°. 3.2.2. Координатный метод измерений наружного конуса на рычажном приборе Измерение сводится к определению размеров D и d (рис. 56, а) при положениях I и II каретки. При определении размера делают три отсчета по линейке с ценой деления 1 мм, микрометрическому 109 винту (с = 0,1 мм) и рычажно-зубчатой головке (с = 0,001 мм). По­ ложения I и II устанавливают по двум блокам концевых мер, раз­ ность между размерами которых равна I. а) б) Рис. 56 Измерительные наконечники рычажного прибора представляют со­ бой половины цилиндров, помещенных в цилиндрических углублени­ ях стержней, и могут в них вращаться вокруг оси цилиндра. Благодаря этому расстояние между измерительными поверхностями наконечни­ ков может быть установлено по концевым мерам длины. Эго исполь­ зуют также в том случае, когда необходимо измерить диаметр D\ ко­ нуса (рис. 56, б) на расстоянии 1\ от торца. В этом случае для установки прибора на нуль берут блок концевых мер длины, равный D\. Предельная погрешность измерений при длине образующей конуса от 30 до 200 мм колеблется в пределах соответственно ± (20-3)" при измерении углов 0-45° и ±(15-2)'' при измерении углов свыше 45-90°. 3.2.3. Измерение углов синусной линейкой Синусные линейки применяют для измерения углов при лекаль­ ных работах или для установки изделий на определенный угол пе­ ред обработкой. 110 Конструкции синусных линеек, основные размеры и технические требования регламентируются ГОСТ 4046-80. На рис. 57 изображе­ ны конструкции синусной линейки трех типов: ЛС - без опорной плиты с одним наклоном, ЛСО - с опорной плитой с одним накло­ ном; ЛСД - с опорной плитой с двумя наклонами. Детали линеек: 1 - столик; 2 - ролики; 3 - боковые планки; 4 - упорная планка; 5 - опорная плита; 6 - крышки; 7 - средняя плита. Основным размером синусной линейки является расстояние L между осями роликов 2. Синусные линейки предназначены для измерения наружных уг­ лов от 0 до 45°. Их изготовляют с расстоянием между осями роли­ ков от 100 до 500 мм, классов точности 1 и 2. Класс точности опре­ деляется допускаемой погрешностью (от ±4" до ±15") линеек при установке их угла до 45°. Тип В Рис. 57 111 При изготовлении синусной линейки необходимо выдерживать в определенных пределах следующие основные параметры и харак­ теристики: расстояние между осями роликов; параллельность осей роликов на их длине; диаметры парных роликов; правильную гео­ метрическую форму рабочей поверхности роликов; параллельность рабочей поверхности столика и плоскости, касательной к нижней образующей роликов; параллельность верхней (рабочей) и нижней плоскостей опорной плиты. Шероховатость рабочих поверхностей столика и опорных плит на базовой длине 0,25 мм не должна быть Ra < 0,08 мкм, а у рабочих поверхностей роликов Ra < 0,04 мкм (по ГОСТ 2789-73). Нормируются и другие размеры синусных линеек. Рис. 58 Средства и методы поверки синусных линеек определены ГОСТ 8.165-75. На рис. 58,а изображена схема установки синусной линейки на угол а. Основная формула настройки синусной линейки s in a = - (5) где h - размер блока концевых мер; L - расстояние между осями роликов. Влияние погрешностей отдельных элементов синусной линейки на угол ее установки можно определить, продифференцировав ра­ венство (5). После преобразования получим 112 здесь L выражена в радианах. Погрешность установки синусной линейки резко возрастает при углах свыше 45°. Это видно из рис. 58, б. Поэтому допускаемые по­ грешности угла установки синусной линейки даются в ГОСТ 4046-80 при установке ее на углы до 45°. Следовательно, на синусной ли­ нейке целесообразно измерять углы до 45°, а на универсальном микроскопе - углы свыше 45°. Пример. Если а = 30°, L — 100 ± 0,003 мм, цена деления отсчет­ ного прибора с = 0,002 мм, размер блока концевых мер длины 5-го разряда h = 50 мм, то предельная погрешность измерения на синус­ ной линейке составит около 8 ". Синусную линейку широко применяют для измерений наружных конусов (рис. 59). Отклонение угла конуса 52а (в угловых секун­ дах) от номинального размера определяют исходя из разности пока­ заний 8 /г в мм отсчетного устройства в точках 1 и 2 , отстоящих на расстояние L, мм, по формуле Рис. 59 113 На результаты измерения данным методом влияют отклонения поверхности стола. Для этого в последних конструкциях приборов для измерения конусов конус закрепляют в центрах. При отсутствии аттестованного набора угловых мер их можно поверить с помощью синусной линейки, концевых мер длины и оп­ тиметра. Последовательность такой поверки показана на рис. 60. В данном случае применен так называемый метод калибровки. Рис. 60 Внутренний конус можно измерять с помощью синусной линей­ ки двумя методами. В одном случае за базу измерений принимают образующую измеряемого конуса (рис. 61, а), а в другом - обра­ зующую наружного накатанного цилиндра (рис. 61,6). Второй метод является более универсальным и более точным, что объясняется следующим. При первом методе измеряют сразу угол 2 а, а при втором - углы (3 и у, а искомый угол 2 а получают из равенства 2а = Р + у. Таким образом, при втором методе измеряют меньшие углы, когда синусная линейка дает более точные показа­ ния. Кроме того, второй метод с базированием по наружному нака­ танному цилиндру не требует дополнительных специальных при­ способлений, необходимых при первом методе, может быть осуще­ ствлен с помощью обычных универсальных средств измерений, имеющихся в измерительной лаборатории: поверочной плиты, си­ нусной линейки, концевых мер длины и рычажно-механического прибора в универсальной стойке. 114 а) Ш Г б) Рис. 61 3.2.4. Измерение углов тангенсной линейкой Простейшая схема тан­ генсной линейки, составлен­ ной из плоскопараллельных концевых мер длины, показа­ на на рис. 62. Угол установки линейки а определяют по формуле tg a = — у . (6 ) L + 1 Анализ формулы (6 ) показывает, что при построении малых уг­ лов а необходимо стремиться к повышению точности определения разности Н ~ h, а при больших углах а - к повышению точности определения суммы L + I. Погрешность при самых благоприятных условиях может быть 4". Практически она значительно больше, так как концевые меры длины имеют на ребрах закругления. Погреш­ ность увеличивается, если эти закругления неодинаковы. Повышен­ ные требования к точности изготовления' отдельных элементов тан- генсных линеек являются причиной их более редкого применения по сравнению с синусными. Примеры использования схемы тан- генсных линеек приведены при описании уровней и их поверки. 3.2.S. Измерение конусов с помощью шариков, роликов и концевых мер длины На рис. 63, а изображена схема измерения угла а внутреннего конуса 2 с помощью шариков 1 и 3. Измерительным прибором оп­ ределяют размер L как разность между отсчетами при установках измерительной поверхности наконечника прибора на верхних точ­ ках обоих шариков. На рис. 63, б дана схема измерений угла а наружного конуса 5 с помощью роликов 4 и концевых мер длины 6 . Вначале измеряют размер I, затем ролики 4 (одинакового диаметра) с помощью двух блоков концевых мер 6 (одинакового размера) поднимают на высо­ ту Л и измеряют L. (8) а) б) Рис. 63 116 Погрешность измерений в обоих случаях будет в большой сте­ пени зависеть от того, с какой точностью определяют размеры, вхо­ дящие в формулы (7) и (8 ). 3.3. Методы и средства измерений углов, основанные на их сравнении с угловой шкалой прибора 3.3.1. Характеристика метода и его основные погрешности Метод сводится к тому, что измеряемый угол сравнивают с круго­ вой шкалой прибора. Круговые шкалы, встраиваемые в прибор, - это многозначные угловые меры, представляющие собой стеклянный или металлический круг, равномерно разделенный штрихами на ряд равных углов (как правило, цена деления 1 °). В этом случае результат измерения отсчитывают непосредственно в угловых единицах. Мера, имеющая замкнутую угломерную шкалу, называется лим­ бом. Штрихи круговой шкалы могут быть нанесены на торцевой либо на конической или цилиндрической поверхности лимба. Основными метрологическими характеристиками лимба являются: цена деления - значение угла между двумя соседними штрихами - и погрешности значений углов между двумя любыми штрихами или двумя любыми линиями, проходящими через центр шкалы и соединяющими два про­ тивоположных, расположенных друг от друга на 180° штриха. Погрешности шкалы входят в результаты измерения непосредст­ венно в качестве систематической погрешности. Существенное влияние на результат измерения может оказать систематическая погрешность, вызванная наличием эксцентрисите­ та - расстоянием между осью вращения и центром круговой шкалы. Эта погрешность непостоянна, она зависит от угла поворота лимба или отсчетного устройства, эксцентриситета и радиуса лимба. Определим математическую зависимость погрешности угла пово­ рота круговой шкалы (лимба) от эксцентриситета. Рассмотрим слу­ чай, когда центр О лимба и ось его вращения О,} лежат на диаметре АБ окружности, на которой нанесена круговая шкала (рис. 64, а). При повороте лимба на угол

, § У з = 5у, + ( ± А 3); (12) 5у. =бу, +(± А,). На основании формулы (11) составляем равенство 5у, + [бу, + (± Д2)]+... + [бу, + (± А,)] = 0 (13) и определяем йу,. После чего по формулам (12) определяем откло­ нения 8Ь §2, . . Si, а затем и углы уь у2, . . у,. Зная эти углы, можно определить углы a h а 2, а< и по формуле а = 180°- у . (14) Отклонения от номинального значения центральных углов меж­ ду любыми гранями 36-гранной призмы Государственного эталона единицы плоского угла не превышает ±6", отклонение от плоскост­ ности измерительных поверхностей - не более 0,05 мкм, от плоско­ стности основания и верхней поверхности - не более 1 мкм (вогну­ тость); отклонение от перпендикулярности измерительных поверх­ ностей к основанию и пирамидальность не более ±5"; отклонение от параллельности основания и верхней поверхности не более 1 мкм. Шероховатость измерительных поверхностей не более Rz = 0,032 - 0,050 мкм. Цена деления отсчетного устройства автоколлиматора не пре­ вышает 0,02". Среднее квадратическое отклонение результата из­ мерения цены деления не более 0,005". Электронное цифровое уст­ ройство позволяет выполнять измерения в пределах от -6" до +6". Государственный первичный эталон единицы плоского угла обес­ печивает воспроизведение единицы со средним квадратическим отклонением результата S0 = 0,2" при неисключенной систематиче­ ской погрешности не более 0,02". 125 3.3.4. Установка для измерений углов с помощью автоколлимационной трубки оптиметра Для этой установки берут обыч­ ную трубку оптиметра, но предвари­ тельно из нее вынимают узел с зер­ калом и измерительным стержнем. В данном случае зеркалом служит верхняя доведенная поверхность де­ тали 1, у которой измеряют угол а (рис. 69). Углу а соответствует пере­ мещение изображения шкалы трубки оптиметра относительно указателя на t. Отсчет снимают, как в обычной трубке оптиметра, но цена деления будет равна не 0,001 мм, а ~ 40". Измерение угловых мер на автоколлиматоре АКУ. Основным узлом прибора является автоколлимационная трубка. Лучи света от источника (рис. 70) проходят через призму 1, на поверхность 6 которой нанесен установочный штрих 10. Штрих находится в фо­ кальной плоскости объектива 5. После призмы 1 лучи проходят че­ рез плоскопараллельную стеклянную пластину 6 с нанесенным на ее поверхности визирным крестом 9, также находящимся на фо­ кальной плоскости объектива 5. Пройдя через объектив 5 и прело­ мившись в нем, лучи упадут на боковые поверхности образцовой 2 и поверяемой 4 мер, установленных на поворотном столике 3. Отра­ зившись от измерительных поверхностей угловых мер, лучи прой­ дут обратно через объектив 5, преломятся в нем и дадут на поверх­ ности визирного креста 9 изображение штриха 10. Если угловые меры имеют неодинаковые рабочие углы и их измерительные по­ верхности, от которых отражаются лучи, не параллельны друг дру­ гу, то в поле зрения через окуляр 8 наблюдатель увидит визирный крест 9 и два изображения установочного штриха 10, отразившегося от каждой измерительной поверхности угловых мер. Расстояние 6а между двумя изображениями, отсчитанное с помощью окулярного винтового микрометра 7, показывает отклонение угла поверяемой меры 4 от угла образцовой меры 2. Фокусное расстояние прибора F = 500 мм. Предел погрешности ±0,5". 126 Рис. 70 3.3.5. Измерение углов с помощью оптических делительных головок Оптическая делительная головка предназначена для угловых из­ мерений и делительных работ при обработке изделий. С помощью маховика 1 (рис. 71) связанного с червячной передачей 12 повора­ чивают шпиндель 7 с лимбом И - шкала имеет цену деления 1°. Углы поворота шпинделя отсчитывают с помощью окуляра 4. По­ ложение шпинделя после поворота может быть зафиксировано с помощью рукоятки 2 зажимного механизма. Посадочное отверстие шпинделя выполнено по конусу Морзе № 4 и может быть использо­ вано для закрепления центра или детали с конусным хвостовиком. Оптическую делительную головку 3 и заднюю бабку 5 с пинолью и центром устанавливают на станине 6, которая имеет продольный паз. В этот паз входят направляющие сухари корпуса оптической де­ лительной головки и задней бабки с пинолью. Шпиндель оптической делительной головки и пиноль задней бабки должны быть соосны. В промышленности широко применяют следующие типы опти­ ческих делительных головок: ОДГ-2 с ценой деления 2" и с двусто­ ронним (совмещенным в поле зрения) отсчетом; ОДГ-5 с ценой де­ ления 5" и с двусторонним отсчетом; ОДГ-Ю с ценой деления 10" и с двусторонним или односторонним отсчетами; ОДГ-60 с ценой де­ ления 60" и с односторонним отсчетом, но могут быть с двумя шка­ лами для отсчета по часовой стрелке и в обратном направлении. 127 Рис. 71 В оптической делительной головке с односторонним отсчетом по­ ток света от источника 10, пройдя через конденсор и отразившись от зеркала, осветит часть круговой шкалы 11 лимба. Эту освещаемую 128 часть и рассматривают с помощью отсчетного микроскопа, состоя­ щего из объектива, окуляра и шкалы 8, расположенной между объек­ тивом и окуляром. Кроме того, между объективом и окуляром распо­ ложены две призмы полного внутреннего отражения, которые служат для поворота под соответствующим углом направления потока лучей света и создания удобных условий для наблюдателя при отсчете. Шкалу 8 можно перемещать с помощью микрометрического винта 9 и устанавливать нулевое показание. На шпинделе 7 помимо основно­ го лимба закреплен лимб грубой установки 13 и центр. У оптических делительных головок с ценой деления 60" микро­ винт 9 отсутствует, а шкала 8 неподвижна. На нее нанесены 60 де­ лений с ценой деления Г. В оптической делительной головке может быть отсчетное уст­ ройство другой конструкции. Имеется подвижная шкала с диапазо­ ном измерения 1° и ценой деления 2'; нониус 10" длиной 2'. Обе шкалы сделаны прозрачными на черном фоне. Они накладываются одна на другую на узкой полоске. При перемещении шкалы с ценой деления 2' вместе с ней перемещается биссектор в виде двойного короткого штриха. При повороте градусного лимба в поле зрения появляются изображения градусных штрихов. Перемещением шка­ лы с ценой деления 2' вводят изображение штриха градусной шка­ лы в просвет биссектора и делают отсчет. Оптическая делительная головка фирмы «Лейтц» имеет двусто­ ронний (совмещенный в поле зрения) отсчет, Поток лучей света (рис. 72), пройдя через систему призм и линз 2, раздваивается и про­ ходит через стеклянный лимб 1 в двух диаметрально противополож­ ных участках шкалы с ценой деления 20'. Пройдя затем системы призм и линз 5, потоки лучей пройдут плоскопараллельные стеклян­ ные пластины 10, а затем через призму 11 и систему линз 4 дадут на верхней и нижней половинах поля зрения шкалы 6 окулярного мик­ рометра 3 два изображения диаметрально расположенных и осве­ щаемых двойных штрихов лимба. Вращение кольца 7 через передачи 8 и 9 передается пластинам 10, и они поворачиваются навстречу друг другу, вызывая видимое в окуляре 3 взаимное смещение двойных штрихов лимба. Одновременно с поворотом пластин 10 вращается шкала 6 окулярного микрометра 3, деления которого видны в ниж­ нем окошке поля зрения окуляра. Ее цена деления - 2". Для получения отсчета вращают кольцо 7 до тех пор, пока изо­ 129 бражения двойных штрихов лимба 1, полученные от диаметрально противоположных участков шкалы, не совместятся. После чего суммируют отсчет в верхнем окошке поля зрения и по шкале оку­ лярного микрометра в нижнем окошке. Предел допускаемой погрешности оптических делительных го­ ловок при измерении любого угла на любом участке лимба состав­ ляет 2" у головок ОДГ-2; 5" у головок ОДГ-5; 10” у головок ОДГ- 10 и 20" у головок ОДГ-бО. Методы и средства поверки определены ГОСТ 8.046-73. В настоящее время в соответствии с ГОСТ 9016-77 началось ос­ воение оптических делительных головок с ценой деления 1" и 20". В стандарте для предела допускаемой погрешности введена мате­ матическая зависимость его от значения измеряемого или устанав­ ливаемого угла, а также уточнены и ужесточены нормы точности. Головки будут оснащены отсчетным экраном. 130 Рис. 72 3.3.6. Измерение углов на универсальном и инструментальном микроскопах Измерение углов шаблонов, инструментов, профиля резьбы и т.п. может производиться на универсальном и инструментальном микро­ скопах с использованием отсчетного микроскопа окулярной угло­ мерной головки. При измерении у шаблона угла а в поле зрения ви­ зирного микроскопа будут видны изображения шаблона и штриховой сетки. При установке риски сначала по одной стороне угла а , а затем по другой делают два отсчета. Их разность даст значение угла а. Погрешность измерений углов окулярной угломерной головкой зависит от длины образующей I угла и определяется в угловых ми­ нутах по формуле Уровень - прибор, предназначенный для контроля положения линий и плоскостей в пространстве, а также для измерения малых углов наклона. Основным элементом уровня является ампула, закрепленная в корпусе прибора и представляю­ щая собой стеклянную трубку, внутренняя по­ верхность которой изогнута по дуге определенно­ го радиуса (рис. 73). Наполнитель ампулы по ГОСТ 2386-73 зависит от цены деления и тем­ пературного диапазона условий измерений. Это может быть этиловый ректификованный спирт, этиловый наркозный эфир и др. Ампулу заполняют жидким наполнителем и оба конца ее запаивают, оставляя внутри небольшое количество воздуха. Поверхность жидкости стремится занять горизонтальное положение, а пузырек - наивысшее, поэтому где I выражена в миллиметрах. 3.3.7. Уровни Рис. 73 131 при наклоне уровня шкала будет перемещаться относительно нахо­ дящегося всегда в верхнем положении пузырька. Поворот ампулы на угол ф вызывает перемещение шкалы относительно пузырька на L. Значение L зависит не только от угла наклона ф, но и от радиуса кривизны R ампулы. Между этими основными размерами ампулы существует мате­ матическая зависимость где р = 1 рад = 206265”. По ГОСТ 2386-73 цена деления шкалы L = 2 мм. Основным па­ раметром уровня является цена деления. Ценой деления уровня яв­ ляется центральный соответствующий одному делению шкалы L угол дуги заданного радиуса R или угол, на который надо наклонить уровень, чтобы его пузырек переместился на одно деление шкалы L. Цена деления уровня выражается в угловых секундах или минутах или же в миллиметрах на 1 м. Ампулы изготовляют с номинальной ценой деления: свыше 1' - малой точности, свыше 2" до 1' - средней точности и до 2" - высо­ кой точности. Важным параметром уровней является их чувствительность. Под чувствительностью уровня т] принято понимать линейное перемеще­ ние пузырька, соответствующее единице угла наклона оси уровня, т.е. где - изменение угла наклона оси уровня; dL - перемещение пузырька, соответствующее сЛр; с - коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора единицы, в которой выражают результат. Так как dL = Rdq>, то формула (16) (15) dLг\ = с ----- (16) ( 17) Ф 132 т. е. чувствительность уровня прямо пропорциональна R и обратно пропорциональна ф. ГОСТ 2386-73 нормирует порог чувствительности ампулы, оп­ ределяемый минимальным углом наклона ампулы, при котором пе­ ремещение пузырька становится заметным при наблюдении невоо­ руженным глазом (0,2 мм), температурой и свойствами наполните­ ля. Для всех ампул, кроме круглой, порог чувствительности обычно составляет до 15% цены деления, а для круглой - 20%. Цену деле­ ния и чувствительность ампулы проверяют на экзаменаторе уров­ ней. Практически уровни применяют при различных температурах, поэтому их испытывают при +50 и -50°С. Технические требования к ампулам уровней регламентируются ГОСТ 2386-73. По конструктивным признакам ампулы делятся на следующие типы (рис. 74). Тип АК - круглые (сферические) ампулы малой точности со шкалой в виде концентрических круговых рисок. Указателем слу­ жит край пузырька. Тип АЦП - цилиндрические простые ампулы (с постоянной при заданной температуре длиной пузырька) малой и средней точности со штриховой шкалой или перекрестием в центре (вместо шкалы). Возможны пять вариантов расположения штрихов шкалы на ампу­ ле. Указателем является край одного из концов пузырька. Тип АЦК - цилиндрические компенсированные ампулы (с ком­ пенсационной палочкой внутри ампулы) средней и высокой точно­ Тип АК Тип АЦП Тип АЦК А Рис.74 133 сти со штриховой шкалой или перекрестием в центре (вместо шка­ лы). Возможны два варианта расположения штрихов шкалы на ам­ пуле. Указателем является край одного из концов пузырька. В каче­ стве компенсатора, обеспечивающего уменьшение влияния измене­ ния температуры на длину пузырька, внутрь ампулы введена трубка из молочного стекла, заплавленная и закругленная с обоих концов. При неизменных размерах ампулы эта трубка уменьшает объем жидкости, заливаемой в ампулу. Поэтому неизбежное изменение длины пузырька, возникающее при изменении температуры из-за разности коэффициентов линейного расширения жидкости и стекла ампулы, будет меньше. При температуре 20°С допускаемое колеба­ ние длины пузырька ±1 мм. Тип АЦР - цилиндрические камерные ампулы (с регулируемой длиной пузырька) средней точности со штриховой шкалой. Воз­ можны четыре варианта расположения штрихов шкалы на ампуле. Наносится также вторая, зеркальная, шкала (для рассматривания ее в зеркале). Указателем является один из концов пузырька длиной Внутри ампулы слева с помощью стеклянной перегородки образо­ вана камера, которая служит для уменьшения длины пузырька при повышении температуры или увеличения ее при понижении темпе­ ратуры. Пузырек укорачивают следующим образом. Вначале ампу­ лу поворачивают вокруг оси на 180°, а затем - в плоскости оси по часовой стрелке, опуская вниз правый конец ампулы до тех пор, пока конец пузырька не войдет на определенную длину в камеру. После этого ампулу резко поворачивают вокруг ее оси на 180°, вследствие чего пузырек укорачивается, так как часть его остается в камере и не принимается во внимание при отсчетах. Завод «Калибр» выпускает также не предусмотренные ГОСТ 2386-73 термостатированные ампулы - модель БВ-7193, соз­ данную в Бюро взаимозаменяемости. Ампула помещена в вакуум- мированный стеклянный баллон на термоизоляционных проклад­ ках. Цена деления шкалы основной ампулы 0,02—0,2 мм/м. При перепаде наружной температуры ±25°С погрешность составляет ±1 деление ампулы. Рассмотрим конструкции уровней, имеющих наибольшее при­ менение в машиностроении. Технические уровни. К ним относятся установочные, брусковые и рамные уровни. 134 Установочные уровни, укрепляемые непосредственно на станине прибора, предназначены для контроля его установки в горизонталь­ ное положение. По конструкции они делятся на уровни с цилиндри­ ческими и круглыми ампулами. Уровни с цилиндрическими ампу­ лами изготовляют с ценой деления 10" - 60', а уровни с круглыми ампулами - с ценой деления 5' - 60". Брусковые уровни предназначены для контроля горизонтального расположения поверхностей при монтаже и проверке точности станков и других видов оборудования. По конструктивным призна­ кам брусковые уровни, выпускаемые заводом «Калибр», делятся на нерегулируемые модели 112 и регулируемые модели 110 и 117. У нерегулируемых брусковых уровней ампулу устанавливают в кор­ пусе с помощью клиньев и заливают твердеющим составом, после чего уровень не регулируют. У регулируемых брусковых уровней (рис. 75, а) ампула 3 установлена в корпусе 2, правый конец которо­ го через плоскую пружину крепится винтом 5 к корпусу 4, а левый опирается на пружину и прижат винтом 1, служащим для регулиро­ вания уровня. Оба уровня имеют также поперечную ампулу 6. 1 г з u s & б) Рис. 75 135 К регулируемым брусковым уровням относятся также контроль­ ные уровни (рис. 75, б), применяемые для проверки горизонтально­ го положения специальных установок. Рамные уровни предназначены для контроля горизонтального и вертикального расположения поверхностей при монтаже и проверке точности станков и других видов оборудования. На рис. 76 изображен рамный регулируемый уровень завода «Калибр» модели 111. Он имеет две ампулы: основную (продоль­ ную) 1 и установочную (поперечную) 2. Положение продольной ампулы регулируется винтом 3. Завод «Калибр» также выпускает рамный уровень модели 113, нерегулируемый. Рис. 76 Технические требования на уровни брусковые и рамные регла­ ментируются ГОСТ 9392-75. Длина рабочих поверхностей X = 100; 150; 200 мм, а по требованию заказчиков может быть также 250 мм. Завод «Калибр» выпускает уровень, у которого L = 200 мм. Цену деления основной ампулы завод «Калибр» устанавливает 136 следующих трех групп точности: 1-я группа - 4 - 10" или 0,02 - 0,05 мм/м; 2-я группа - 12 - 20" или 0,06 - 0,01 мм/м; 3-я группа - 24 - 40" или 0,12 - 0,2 мм/м. Допускаемые отклонения значения цены деления от нанесенного на уровне на различных участках шкалы не должны превышать 20%. Установочные (поперечные) ампулы уровней применяют с ценой деления 3 - 6', простые цилин­ дрические - с погрешностью установки относительно рабочей по­ верхности основания уровня не более одного деления ампулы. У регулируемых уровней при необходимости можно менять ампулу с последующим регулированием ее положения. Уровни с микрометрической подачей ампулы. В соответствии с ГОСТ 11196-74 эти уровни изготавливают двух типов: с ценой деления 0,01 мм/м (2") и пределами измерений не менее ±10 мм/м (±34') и с ценой деления 0,10 мм/м (20") и пределами измерений не менее ±30 мм/м (±1°43'). На рис. 77 изображен микрометрический уровень с оптическим совмещением типа I модели 107 завода «Калибр». На основании 1 укреплен механизм уровня, закрытый сверху крышкой 2. Корпус 5 ампулы 4 укреплен с помощью пластинчатых пружин 11 и опирает­ ся одним своим концом на рычаг 3. При вращении микрометриче­ ского винта 10 рычаг 3 поворачивается вокруг оси 12 и вызывает поворот корпуса с ампулой по отношению к основанию прибора. На корпусе сверху помещена оптическая система, состоящая из призм 7 и 8, сводящих изображения половин концов пузырька уровня в одно поле зрения, что повышает точность отсчета. Для освещения пузырька в боковых стенках крышки сделаны два окошка и вверху окошко 6, закрытые стеклом. Результат измерения отсчитывают по лимбу 9, снабженному счетчиком оборотов лимба. Совпадение изображений концов пузырька ампулы соответству­ ет положению основания уровня на строго горизонтальной плоско­ сти. В случае несовпадения микрометрический винт 10 поворачи­ вают до совпадения этих изображений и по лимбу отсчитывают угол отклонения проверяемой плоскости от горизонтали. Цена деления шкалы лимба 0,01 мм/м, цена деления счетчика оборотов 1 м/мм, пределы измерения ±10 м/мм, погрешность при­ бора ±0,01 мм/м в пределах ±1 мм/м и ±0,02 мм/м в пределах ±10 мм/м. 137 Рис. 77 Уровню присвоен государственный Знак качества. На рис. 78 изображен микрометрический уровень с ценой деления 0,1 мм/м типа II завода «Калибр». При вращении барабана 1 с микровинтом 2 корпус 3 ампулы 4 поворачивается относительно оси хх, вследствие чего изменяется показание уровня, отсчитываемое по шкале микро­ метрической головки и по ампуле. Уровень имеет камерную ампу­ 138 лу, позволяющую регулировать длину пузырька при измерении в зависимости от температуры окружающей среды. Цена деления уровня 0,10 мм/м (20"), пределы измерений ±30 мм/м (±1°43')- х ................ * ■ . “““7 ft------------ — £ttt-\ }}) / ---------- я-------- j ^ ..................... щ ■ 1 X Рис. 78 Электроиндуктшный уровень. Завод «Калибр» выпускает мо­ дель 129 для контроля и измерения угла наклона плоскости. Изме­ рение осуществляют методом непосредственной оценки и методом сравнения. Диапазон измерения угловых величин по шкале барабана микро­ подачи 3°. Отсчет угла в диапазоне ±8' выполняют по шкалам пока­ зывающего прибора, стоящего на выходе электронной схемы. Этот 139 диапазон разбит на участки (шкалы) ±8'; ±4'; ±100" и ±50" с ценами деления соответственно 20; 10; 4 и 2", что позволяет в зависимости от требований к точности пользоваться различными шкалами. Дей­ ствие уровня основано на преобразовании индуктивным способом угловых перемещений в изменение напряжения. Электрическая часть прибора (рис. 79) собрана по схеме диффе­ ренциального трансформаторного преобразователя. а) Рис. 79 На первичную обмотку W| подается питающее напряжение от генератора (в данном случае это напряжение имеет амплитуду ЗВ и 140 частоту 10 кГц). Вторичные обмотки W2' И W2" включены встречно (точка на рисунке около обмоток означает начало обмотки). Если якорь преобразователя Як, связанный с контролируемой плоско­ стью КП, находится на равном расстоянии 80 от обоих крайних стержней, выходное суммарное напряжение преобразователя Uc = U2 ' + иг''(где U2' и U2" - напряжения, снимаемые соответст­ венно с обмоток W2' И W2") равно нулю, так как )U2'| = |U2"|. Если контролируемая плоскость наклонена на угол а, то 8] ^ 52. Так как напряжения U2' и U2” являются (в определенных пределах) линейной функцией этих расстояний (зазоров), то соответственно изменятся и напряжения: одно увеличится на AU, второе - умень­ шится на ту же величину. Из-за встречного включения обмоток из­ менение Uc составит 2AIJ. Таким образом, дифференциальное включение обмоток вдвое увеличивает чувствительность преобра­ зователя. Суммарное напряжение поступает на вход электронного блока ЭБ и после усиления и преобразования фиксируется стрелочным прибором СП (с нулем посередине), причем зафиксируется не толь­ ко числовое значение, но и знак отклонения. Упрощенная конструкция преобразователя изображена на рис. 79, б. Рабочие измерительные штоскости жесткой рамной кон­ струкции корпуса 1 доведены и выполнены по форме, позволяющей ориентировать контролируемую поверхность как плоской, так и ци­ линдрической формы. Угол между рабочими поверхностями 90°±6". Механизм преобразователя состоит из опорной пластины 12, укрепленной на пружинах 2, 4 и 6,маятника 10, подвешенного на нитях 11 и 7 к опорной пластине 12, которая связана шарнирно с микровинтами 3 и 5 настройки. На пластине 12 расположена непод­ вижная часть преобразователя (катушки) 9, а якорь 8 закреплен на маятнике 10. При установке прибора на наклонную плоскость маятник пере­ кашивается, что приводит к повороту якоря и появлению выходного напряжения. Для проведения измерения следует установить бара­ баны микровинтов 3 и 5 в нулевое положение, а ручку установки нуля на панели электронного блока - в исходное положение. При зтом прибор будет выставлен относительно горизонтальной (верти­ кальной) плоскости с погрешностью, не превышающей погреш­ 141 ность микровинта 4". Для того, чтобы выставить преобразователь более точно, необходимо установить его на контрольную поверх­ ность, затем установить в нулевое положение микровинты и ручку на панели ЭБ, а переключатель диапазонов — в положение 50". При работе от базовой плоскости существуют два варианта ис­ пользования уровня: 1) имеется рабочая поверхность, от которой в дальнейшем необ­ ходимо выполнять измерения. В этом случае преобразователь к ра­ боте подготавливают описанным выше способом; погрешность из­ мерения не превышает цены деления показывающего прибора (если углы наклона не превышают ±8'); 2) имеется рабочая поверхность, от которой в дальнейшем необ­ ходимо провести измерения и угол наклона которой необходимо измерить по отношению к горизонту. Выполнив подготовку преоб­ разователя и установив его на измеряемую поверхность, вращают микровинты до тех пор, пока не появится возможность отсчета по шкале ±50". Чтобы точно провести отсчет по микровинтам, необхо­ димо совместить штрихи на барабанах микровинтов со штрихами на корпусе микрогайки, снять отсчет на микровинтах и суммиро­ вать с ним показания стрелки показывающего прибора. Результат определяет угол наклона базовой плоскости по отношению к гори­ зонту с погрешностью 2". Далее микровинтами ручной установки нуля стрелку показывающего прибора установить в нулевое поло­ жение. Уровень готов для измерения углов наклона от данной базо­ вой поверхности с погрешностью, не превышающей цены деления стрелочного прибора. Электролитические уровни. Потребности повышения точности и необходимость автоматизации некоторых измерений привели к по­ явлению электролитических уровней. Они также имеют запаянную ампулу, наполненную токопроводящей жидкостью; перемещение жидкости измеряется по отношению к встроенным в ампулу элек­ тродам. Принцип действия электролитического уровня заключается в изменении электрических параметров системы электроды + жидкость при наклонах ампулы и изменении положения краев жидкости по отношению к электродам. Высокоточные электролитические уров­ ни применяются во многих отраслях приборостроения. Среди них следует назвать устройства высокоточного контроля за положением фундаментов и высоких башенных сооружений, некоторые грави­ 142 метрические приборы. Наиболее широко используют такие уровни в гироскопических приборах. Функциональная схема одной из конструкций электролитическо­ го уровня показана на рис. 80, В этой схеме с генератора 7 высоко­ частотное напряжение в противофазе подается на пластины 2 и 3 и на фазовый детектор 6. При наклоне ампулы 4 изменяется диэлек­ трическая проницаемость, а следовательно, и емкость конденсатора, вследствие чего на пластине 1 возникает напряжение рассогласова­ ния, которое усиливается усилителем 5. Амплитуда напряжения рас­ согласования несет информацию о значении угла наклона, а фаза - о направлении наклона, что соответствующим образом регистрирует­ ся или подается в управляющий механизм для отработки заданного положения. Рис. 80. Функциональная схема электролитического уровня Точность определения углов наклона в электролитических уров­ нях выше, чем у жидкостных, однако им свойственны такие недос­ татки, как инерционность и зависимость от температуры. Для по­ вышения термостабильности применяют теплоизоляцию. Электронные наклономеры (электромагнитный уровень). Среди множества появившихся в последние годы электронных на­ клономерных устройств все более широкое применение находят устройства, снабженные маятником и работающие на электромаг­ нитном принципе. Рассмотрим устройство электронного уровня, 143 работающего на принципе измере­ ния изменений электромагнитных параметров. Конструкция такого уровня содержит датчик, генера­ торно-усилительную часть и инди­ катор. Датчик представляет собой электромеханическое устройство (рис. 81). Маятник 2 с двумя замы­ кателями 5 магнитопроводов кату­ шек 4 подвешен на упругом подве­ се к цельному корпусу 1. Ограни­ чители 3 предохраняют замыкатели 5 от прикасания к катушкам во из­ бежание залипания. Устройство уп­ ругого подвеса достаточно сложно. Чаще всего упругий подвес выпол­ няют из стальной пружинной ленты толщиной 0,05...0,1 мм. Специаль­ ными исследованиями установлено, что при наклоне корпуса на угол ось маятника на таком подвесе (в пре­ делах наклона до 1°) отклоняется на Рис. 81. Датчик электромагнитного угол, составляющий (0,15 ... 0,4)а. УР0ВНЯ Обмотки катушек датчика намота­ ны по дифференциальной схеме. При наклоне маятника относи­ тельно корпуса полное сопротивление катушек изменяется на одно и то же значение, но с разным знаком. Это существенно повышает чувствительность устройства. Структурная схема генераторно-усилительного блока с индика­ тором показана на рис. 82. Генератор 6 переменного тока выдает синусоидальное напряжение на схему включения 2 датчика 1. На выходе схемы включения при наклонах датчика появляется пере­ менное напряжение, усиливаемое усилителем 3. Амплитудный де­ тектор 4 выделяет измерительную информацию путем сравнения сигнала со схемы включения с сигналом с генератора. Усилитель 5 постоянного тока усиливает напряжение с выхода детектора и вы­ дает его на регистрирующий прибор либо в систему автоматическо­ го привода на заданную установку. 144 Рис. 82. Структурная схема электромагнитного уровня Погрешность электромагнитных уровней складывается из инст­ рументальной погрешности и погрешности отсчета. Так как для этих уровней лучше условия задания цены деления шкалы, погреш­ ность отсчетов здесь может быть принята равной 0,1 деления. Слу­ чайная составляющая инструментальной погрешности для описан­ ного уровня колеблется в пределах 0,12...0,2 цены деления, вследст­ вие чего для уровней такого типа средняя квадратическая погреш­ ность показаний принимается 0,17 < а эу < 0,23 цены деления. Так как в таких уровнях цена деления может быть задана в десятых до­ лях угловой секунды, очевидны возможности повышения точности угловых измерений. Квадранты. Ампулы применяют также и в угломерных прибо­ рах в качестве угломерного отсчетного устройства. На рис. 83 изображен общий вид оптического квадранта, предна­ значенного для измерений угла наклона плоских и цилиндрических поверхностей, а также для установки их под заданным углом к го­ ризонтали. Квадрант состоит из плоского основания 9 с призматиче­ ской выемкой, корпуса 4, внутри которого укреплен стеклянный лимб с ценой деления 1°, рассматриваемый в отсчетный микроскоп 1. Лимб и отсчетный микроскоп 1 по конструкции аналогичны приме­ няемым в окулярной угломерной головке с ценой деления Г. На­ ружный диск 5 со шкалой 6 и указателем 10 служат для грубого от­ счета угла поворота отсчетного микроскопа 1 относительно лимба. Этот поворот осуществляют винтом 8 и фиксируют винтом 2. На наружном диске 5 укреплены продольный уровень 7 с ценой деле­ ния 30" и установочный поперечный уровень 11с ценой деления 2'. Для облегчения отсчета по шкале продольного уровня введено зер­ кало 3. При установке квадранта на горизонтальную плоскость оба уровня и отсчетный микроскоп должны давать нулевое показание. 145 Рис. 83 Угол наклона поверхности с помощью квадранта измеряют сле­ дующим образом. Устанавливают квадрант основанием на иссле­ дуемую поверхность, затем ослабляют стопорный винт 2 и вращают диск 5 до тех пор, пока пузырек продольного уровня 7 не станет примерно в среднее положение. Закрепляют стопорный винт 2 и микровинтом 8 поворачивают диск 5 до тех пор, пока пузырек 7 не станет в положение нуль-пункт. После этого делают отсчет угла наклона исследуемой поверхности по отсчетному микроскопу 1. Если необходимо по квадранту установить поверхность на опре­ деленный угол к горизонтали, то вначале описанным выше спосо­ бом устанавливают квадрант на заданный угол, а затем ставят квад­ рант основанием на устанавливаемую на тот же угол поверхность и поворачивают эту поверхность до тех пор, пока пузырек продоль­ ного уровня 7 не станет в положение нуль-пункт. В соответствии с ГОСТ 14967-70 оптические квадранты изготов­ ляются четырех типов: КО-2; КО-5; КО-Ю и КО-ЗО. Номинальная цена деления шкалы отсчетного устройства равна соответственно 2; 5; 10 и 30". Пределы допускаемой погрешности квадранта соответ­ ственно ±2; ±5; ±10 и ±30". Методы и средства поверки регламен­ тированы ГОСТ 13402-67. 146 Поверка уровней. Основными операциями поверки уровней являют­ ся определение правильности установки в нулевое положение и цены деления. Первую из этих операций осуществляют на поверочной плите, снабженной планкой упора и установленной примерно/в горизонталь­ ное положение (можно с помощью поверяемого уровня). Уровень ста­ вят на плиту до упора и снимают отсчет а, затем уровень поворачивают на 180° вокруг вертикальной оси, ставят на плиту в такое же положение до упора и снимают второй отсчет р. Погрешность установки уровня в нулевое положение определяют как полуразность отсчетов (а - [3)/2. Допускаемым считается отклонение, составляющее 1/4 деления шкалы ампулы. Цену деления уровня поверяют на экзаменаторе, который уста­ навливают на три опорные точки. Две из них связаны с регулировочны­ ми винтами, служащими для установки экзаменатора в горизонтальное положение. На призматические подставки укладывают поверяемые ам­ пулы. Их можно укладывать также непосредственно на верхнюю дове­ денную поверхность экзаменатора. Вращением микрометрического винта поворачивают вокруг оси штангу экзаменатора на угол, отсчиты­ ваемый по круговой шкале. Шаг микровинта Р = 0,25 или 0,5 мм. От шага зависит расстояние L между центром оси вращения штанги (и, следовательно, уровня) и осью винта (шкалы) и число делений на круговой шкале. Последние должны быть такими, чтобы номинальная цена деления шкалы равнялась целому числу секунд: 1", 2", 5", 10" и т. д. исходя из соотношения tga = P / L , (18) где a - угол поворота штанги экзаменатора при одном обороте микрометрического винта. Ввиду малости угла а можно написать a = Р / L, где а выражен в радианах. Как видно из формулы (18), погрешность отсчета угла зависит от точности изготовления микровинта по шагу Р и от точности выпол­ нения экзаменатора по размеру L. Для определения влияния погрешностей этих элементов на по­ грешность показаний экзаменатора найдем полный дифференциал 147 функции. Сделав преобразования, получим: da — 0,5(dP/ Р - d L / L) • sin2a. (19) Из формулы (19) видно, что предельная погрешность показаний экзаменатора прямо пропорциональна углу поворота а , неточности изготовления шага винта dP и определения расстояния dL. Как видно из формулы (19), малая цена деления экзаменатора мо­ жет быть достигнута увеличением L или уменьшением Р. Однако эти изменения можно делать в известных пределах, так как с увеличени­ ем L увеличиваются габаритные размеры прибора, а с уменьшением Р возрастают технологические трудности изготовления винта. В конструкции экзаменатора завода «Калибр» для получения ма­ лой цены деления при небольших габаритных размерах введен че­ тырехзвенный шарнирный механизм (рис. 84, а). При повороте микрометрического винта 7 с круговой шкалой 6 штанга 8 повора­ чивается вокруг оси О и перемещает соответственно налево или на­ право клин 1, жестко связанный с плитой 2, на которую укладывают поверяемую ампулу или уровень 4. Так как плита 2 подвешена на тя­ гах 3 и 5 неодинаковой длины, то при перемещении клина 1 плита 2 поворачивается на небольшой угол даже при значительных линей­ ных перемещениях винта 7. с % nJ а) б) Рис. 84 148 В экзаменаторе модели 130 завода «Калибр» (рис. 84, б) в каче­ стве отсчетного устройства 10 может быть использован оптикатор, оптиметр или многооборотный индикатор 1МИГ. При расстоянии L = 206,3 мм линейное перемещение на 1 мкм, определяемое по от- счетному устройству, соответствует угловому повороту плиты 1". Малые повороты плиты 9 достигаются применением дифференци­ ального винта 11. Он ввинчен в планку 13, имеет внутреннюю резь­ бу, в которую ввинчивается винт 12 со штифтом, не позволяющим ему вращаться. Шаг обеих резьб берут с отличием 0,05 - 0,1 мм, поэтому при повороте винта 11 на один оборот винт 12 переместит­ ся на разность шагов. Погрешность экзаменатора ± 1" при установке оптиметра и ±4" при установке индикатора 1МИГ. Процесс определения цены деления ампулы или уровня на экза­ менаторе сводится к сопоставлению изменения показания ампулы или уровня с изменением показания экзаменатора при повороте его микровинта. 3.3.8. Угломеры Для измерения углов изделий в машиностроении контактным методом широко применяют угломеры с нониусом и оптические. Угломеры с нониусом в соответствии с ГОСТ 5378-66 изготовляют двух типов: УМ - для измерения наружных углов и УН - для изме­ рения наружных и внутренних углов (рис. 85). Угломеры состоят из съемной линейки 1, основания 2, микропо­ дачи 3, нониуса 4, стопора 5, сектора 6, оси 7, державки 8, угольни­ ка 9 и подвижной линейки 10. Выпускают угломеры с нониусом 2'; 5' и 15' и погрешностью со­ ответственно ±2'; ±5' и ±15'. Существенным фактором, влияющим на погрешность, является несовпадение центров основной шкалы и шкалы нониуса. Чтобы исключить влияние этого фактора, необходимо строго согласовать координаты отверстий под винты и шпильки у нониусов и основ­ ных угломерных шкал. 149 Тип УМ Нониус определяют по формуле С = с' / п, где с' - цена деления шкалы основания; п - число делений нониуса. Угломером УМ можно контактным методом измерять наружные углы от 0 до 180° (от 0 до 90° с угольником 9 и от 90 до 180° - без угольника 9). Конструкция угломера позволяет также выполнять разметочные работы на плоскости. Угломер УН, у которого нониус 2', является более универсаль­ ным. Общий диапазон измерений угломером УН от 0 до 320°; пре­ делы измерений наружных углов 0 — 180°; предел измерений внут­ ренних углов 40 - 180°; пределы измерений высот с помощью угольника 0 - 100 мм и с помощью линейки 0 - 115 мм методом сравнения с концевыми мерами длины. Оптический угломер (рис. 86) предназначен для измерения кон­ тактным методом углов от 0 до 180° между двумя плоскостями или между плоскостью и образующей цилиндра либо конуса. Основные параметры и размеры оптического угломера, а также 150 технические требования к нему регламентированы ГОСТ 11197-73. В оптическом угломере линейка 5 со сквозной прорезью вдоль ее оси соединена с корпусом, внутри которого неподвижно укреплен лимб 8, имеющий полную угловую шкалу с ценой деления 1. Шкала разделена на четыре квадранта со шкалами от 0 до 90°. Линейку 4 можно перемещать в направлении ее оси и поворачи­ вать вокруг центра корпуса 9 на определенный угол по отношению к линейке 5. В продольном положении линейку 4 фиксируют пово­ ротом стопорного рычага 2. В продольный паз линейки 4 входят шпонка, связанная с верхним диском 3, на котором установлена лу­ па 7 с увеличением 40х, и стекло 10 со шкалами с ценой деления 5'. В поле зрения лупы 7 видны две шкалы с ценой деления 5' и изо­ бражение части круговой шкалы 8, освещенной через стекло 10. В данном случае отсчет будет 1°35', он определяет угол между линей­ ками 4 и 5. Этот угол устанавливают поворотом по часовой стрелке накатанного кольца 1 и фиксируют стопорным рычагом 2. Подстав­ ка 6 с плоской поверхностью и с призматическим углублением слу­ жит для установки угломера на плоскую или цилиндрическую по­ верхность при специальных измерениях. 1 г~ г— Рис. 86 151 Погрешность оптического угломера ±2'30'". Погрешность угло­ мера с подставкой, предназначенной для измерения угла, одна из сторон которого является образующей цилиндрической или кони­ ческой поверхности, ±5'. Методы и средства поверки угломеров с нониусом и оптических угломеров регламентированы ГОСТ 13006-67. 4. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ОТКЛОНЕНИЙ ФОРМЫ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ Отклонения формы цилиндрических деталей могут быть вызваны изменением радиуса или диаметра. В соответствии с этим различают следующие методы измерений: радиальный, оперирующий разно­ стью радиусов, и диаметральный - двухконтактный (рис. 87, а) или трехконтактный (рис. 87, б), оперирующий разностью диаметров. Рис. 87. Схемы измерения отклонений формы цилиндрических поверхностей диаметральным методом: а - двухконтактным, б - трехконтактным Радиальный метод - универсальный, применяемый к любым от­ клонениям, независимо от характера. Измерения этим методом про­ изводят с помощью сравнительно новых и сложных приборов - кругломеров. Диаметральный метод - прост. Он обеспечивает вы­ сокую производительность измерений, но не дает полной и точной картины отклонений профиля. Для измерения большинства элементарных отклонений профиля цилиндрических поверхностей и отклонений от цилиндричности при 2 а) б) 152 отсутствии нечетной огранки и отклонений от прямолинейности оси (изогнутости) используют универсальные приборы для наружных измерений 2 (рис. 87). Дело сводится к двухконтактному измерению диаметра детали 1 в одном или нескольких сечениях./ Овальность и четную огранку определяют как полуразность двух взаимно перпен­ дикулярных диаметров, конусообразность - как полуразность диа­ метров, измеренных в двух сечениях на концах детали, бочкообраз- ность и седлообразность - как полуразность диаметров, измеренных в трех сечениях вдоль оси. Отклонение от цилиндричности прибли­ женно определяют измерением диаметра также в трех сечениях, и в каждом сечении - в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Полуразность между наибольшим и наименьшим диаметрами при­ нимают за отклонение от цилиндричности. Измерительные головки (индикаторы часового типа, микрока- торы, оптикаторы и т. д.) применяют для определения отклонений от непрямолинейности оси нечетной огранки. Отклонение от пря­ молинейности оси измеряют вращением детали 1 на плоском сто­ лике 3 (рис. 88, а) или на ножевидных опорах 4 (рис. 88, б). В пер­ вом случае отклонение равно разности отсчетов измерительной го­ ловки 2, во втором - полуразности. Нечетную огранку измеряют трехконтактным методом при вращении детали в призме. Призма дает возможность измерять детали диаметром от 3 до 300 мм. Ре­ зультат измерения зависит не только от значения огранки, но и от числа граней детали угла призмы. При измерении (рис. 87, б) в призме 1 устанавливают деталь, а измерительную головку обычно наклоняют на угол р, причем линия измерения должна быть парал­ лельна одной из граней призмы. Рис. 88. К определению отклонения от прямолинейности оси: а - на столике; б - на ножевых опорах 153 Разность показаний S измерительной головки связана со значе­ нием огранки Ао г зависимостью S = кА0г, где к - так называемый коэффициент воспроизведения огранки. Наиболее часто применяе­ мые трехконтактные устройства с параметрами у = 120°, Р=30°и у - 60°, Р = 60° дают одинаковый к = 2 для наиболее часто встре­ чающихся огранок с числом граней 3; 5; 7 и 9. Рис. 89. Типы поверочных и разметочных призм Призмы поверочные и разметочные (ГОСТ 5641-82) предна­ значены для установки при измерениях, в частности поверке, и при разметке деталей цилиндрической формы. Призма имеет призмати­ ческие выемки с углом 90°. Основания призмы и выемки имеют до­ веденные поверхности. Габаритные размеры призм от 35x40x30 до 300x125x270 мм. В комплект поставки входят две призмы, имею­ щие одинаковые габаритные размеры. Различают призмы типов П1, П2 и ПЗ. Призмы типа П1 предна­ значены для более точных измерений деталей диаметром до 110 мм. Такие призмы 1 (рис. 89, а) имеют одну призматическую выемку, снабжены накладкой 2 и двумя винтами 3 для крепления детали. Призмы типа П2 (рис.89, б) имеют четыре призматические выемки, призмы типа ПЗ (рис. 89, в) - одну такую выемку. Призмы типов П1 и ПЗ изготовлены из закаленной стали; типа П2 - из чугуна. Сталь­ ные призмы могут иметь классы точности 0; 1 и 2; чугунные - клас­ сы точности 1 и 2. Допускаемые отклонения от параллельности призматических выемок к основанию и боковым граням на длине призматической выемки для класса точности 0 в зависимости от типоразмера составляют от 2,5 до 5 мкм, для класса точности 1 - от 4 до 15 мкм; для класса точности 2 - от 8 до 25 мкм. 154 4.1. Кругломеры Кругломеры предназначены для измерения в лабораторных ус­ ловиях отклонений от круглости наружных и внутренних поверхно­ стей деталей в сечении, перпендикулярном их оси, с автоматиче­ ской записью при большом увеличении отклонений профиля на специальной диаграмме - кругломере - в полярной системе коорди­ нат, а в ряде случаев и с цифровым отсчетным устройством. Прин­ цип действия заключается в сличении профиля измеряемой детали с исходной окружностью, воспроизводимой вращением прецизион­ ного шпинделя. При этом деталь устанавливают на стол и центри­ руют с осью вращения шпинделя. С наружной и внутренней цилин­ дрической поверхностью детали соприкасается наконечник щупа преобразователя, который имеет радиальное перемещение, соответ­ ствующее изменению радиуса измеряемой детали. Механическое перемещение щупа преобразуется в электрические сигналы, кото­ рые усиливаются электронным блоком и поступают на самописец или на цифровое отсчетное устройство. Отклонение от круглости по круглограмме определяют по специальному шаблону как наиболь­ шее расстояние от точек реального профиля до прилегающей ок­ ружности. Увеличение записи (чувствительность) - это отношение изменения значения записанной величины к изменению измеряемо­ го размера. Каждый прибор имеет широкий набор увеличений. При малом допуске круглости детали работают с большими увеличе­ ниями, при большом допуске - с меньшими увеличениями. Типы кругломеров (ГОСТ 17353-80): КН - с вращающимся из­ мерительным преобразователем (стационарные и накладные); КД - с вращающейся (на столе) измерительной деталью. В кругломерах типа КН нагрузка на шпиндель определяется только его собствен­ ным весом и весом преобразователя. У кругломеров типа КД де­ таль, устанавливаемая на вращающийся стол, создает дополнитель­ ную нагрузку на опоры при вращении шпинделя. Поэтому они предназначены только для деталей ограниченного веса. Кругломе­ ры кроме округлости могут измерять обширную номенклатуру па­ раметров формы и расположения (и здесь возможности кругломе­ ров типов КН и КД в общем случае не совпадают). Так, например, кругломеры имеют приспособления: для измерения соосности на­ ружной и внутренней поверхностей вращения и соосности отдель­ 155 ных шеек вала и отверстий; для измерения отклонений от плоскост­ ности торца, от перпендикулярности торца к оси детали и парал­ лельности торцов. Кроме того, имеются приспособления для изме­ рения прерывистых деталей, имеющих шпоночные канавки, шлице­ вые пазы, лыски и т. д. Кругломер модели 289 - прибор с вращающимся преобразовате­ лем, а модели 290 - с вращающимся столом. Наименьший размер из­ меряемых поверхностей на кругломере модели 289 составляет для на­ ружных поверхностей 0,5 мм, внутренних 3 мм, наибольший размер для наружных и внутренних поверхностей 400 мм. На кругломере мо­ дели 290 наименьшие размеры те же самые, наибольшие 250 мм. Габа­ ритные размеры измеряемых деталей на кругломерах 289 и 290 не бо­ лее 400x400x400 мм (ширина х длина х высота) и 250x250x250 мм; масса деталей не более 80 и 10 кг соответственно. Скорость вращения шпинделя кругломеров при измерении около 3 об/мин, наибольшее число неровностей, регистрируемых за один оборот, 500. Цена деления шкалы шаблона, имеющего неизменный интервал между концентрическими окружностям, равный 2 мм, меняется от выбранного масштаба увеличения. Если, например, запись произво­ дили с увеличением 2000х, то цена деления шаблона составит 1 мкм. Увеличение при записи у кругломера модели 289 составляет от 25 до 20000х, у модели 290 от 40 до 10000х. Цена деления при этом составляет соответственно от 80 до 0,1 мкм и от 50 до 0,2 мкм. Предел допускаемой радиальной погрешности (радиальное биение) для кругломера модели 289 составляет 0,05 мкм, для модели 290 - 0,12 мкм; предел допускаемой осевой погрешности (биение в осе­ вом направлении) 0,12 и 0,15 мкм соответственно. Осевое биение шпинделя практически не сказывается при изме­ рении цилиндрических поверхностей. Однако оно ощутимо влияет при измерении отклонения от круглости конических и сферических поверхностей, а также от плоскостности и параллельности торцов. Рассмотрим конструкцию кругломера на примере модели 289 (рис. 90). В дальнейшем при описании кругломеров, в частности их поверки, будем рассматривать эту же модель. На литой чугунной станине 1 размещен координатный стол 5, на котором устанавлива­ ют измеряемую деталь 4 и перед началом измерения центрируют ее относительно оси шпйнделя 2. Для этой цели в столе имеются два механизма микропередачи 6 и 7, с помощью которых стол может 156 перемещаться в двух взаимно перпендикулярных направлениях при центрировании детали. На нижнем торце шпинделя расположен первичный преобразователь, щуп 3 которого касается в радиальном направлении измеряемой детали. Преобразователь можно переме­ щать в радиальном направлении при настройке на различные диа­ метры детали. Корпус кругломера жгутом 13 соединен с тумбой 12, в верхней части которой находится счетно-решающий блок 8, пред­ назначенный для обработки поступающих электрических сигналов, фиксирования и хранения результатов измерений. Вычисленное значение отклонения от круглости фиксируется на цифровом от- счетном устройстве 9 в виде трех цифр с дискретностью отсчета 1; 0,1 или 0,01 мкм в зависимости от увеличения. Например, при уве­ личении 100х дискретность отсчета составляет 1 мкм, при 20000х 0,01 мкм. Причем при цифровой индикации отклонение от кругло­ сти не соответствует его определению, т. е. оно вычислено не от прилегающей, а от средней окружности, которая расположена так, что среднее квадратическое отклонение записанной круглограммы до этой окружности минимально. Рис. 90. Кругломер с вращающимся преобразователем модели 289 157 При сглаживании технологического процесса, когда нужно вы­ явить наличие огранки, овальность эксцентриситета детали и т. д., на записывающем устройстве 11 дополнительно записывается кругло- грамма в полярных координатах. При расшифровке круглограммы 1 (рис. 91) прилегающую окружность выбирают с помощью шаблона - прозрачной прямоугольной пластины из органического стекла. На шаблоне расположена отсчетная шкала - семейство концентрических окружностей с радиальным шагом, равным 2 мм. Шаблон вручную накладывают на снятую с прибора круглограмму и перемещают до тех пор, пока одна из концентрических окружностей 2 не займет по­ ложения прилегающей. От нее и призводят отсчитывание (А на рис. 91). На свободных от окружностей участках пластины наносят таблицы с указанием цены деления шкалы при различных увеличе­ ниях. Измерительный блок 10 (рис. 90) предназначен для установки соответствующего увеличения и электронного фильтра. В кругломе­ ре предусмотрено шесть электронных фильтров. Включая один из них, можно не фиксировать или фиксировать с уменьшенной ампли­ тудой неровности тех или иных частот, имеющихся на измеряемой поверхности. Каждый фильтр имеет свою частотную характеристику, т. е. пропускает неровности определенных частот. 158 Рис. 91. Круглограмма Перед измерением деталь устанавливают на предметный стол, закрепляют и осуществляют предварительное центрирование отно­ сительно измеряемого сечения. Для этого преобразователь переме­ щают в горизонтальном направлении до тех пор, пока между нако­ нечником щупа и измеряемой деталью останется небольшой зазор (1-2 мм). При этом щуп расположен против механизма микропода­ чи стола. Повернув рукой шпиндель на 180°, определяют на глаз зазор с другой стороны и с помощью механизма микроподачи вы­ равнивают зазоры. То же повторяют в перпендикулярном направле­ нии. Выравнивая зазоры, плавно подводят преобразователь к детали до тех пор, пока наконечник щупа не коснется измеряемой детали и стрелка индикатора измерительного блока не выйдет на середину шкалы. Затем последовательно осуществляют полуавтоматическое и автоматическое (окончательное) центрирование, более произво­ дительное по сравнению с ручным, применяющимся у ранних мо­ делей кругломеров. На ручное центрирование, как правило, затра­ чивалось во много раз больше времени, чем на само измерение, продолжающееся в течение одного оборота шпинделя. Полуавтоматическое центрирование совмещает автоматический поворот шпинделя на 90° с ручным перемещением детали с помо­ щью механизмов микроподачи стола. Указателем при этом является индикаторный прибор, показывающий в масштабе, соответствую­ щем выбранному увеличению, смещение центра детали относи­ тельно оси вращения шпинделя. Автоматическое центрирование - по существу центрирование записи относительно центра диска с помощью электронной схемы прибора. Автоматическое центрирование осуществляется за два оборота. При первом обороте фиксируются координаты оставшего­ ся эксцентриситета, при втором вносится поправка и производится запись круглограммы. Различные типы и конструкции кругломеров выпускают многие иностранные фирмы. Например, кругломеры английской фирмы «РЭНК ТЭЙЛОР ГОБСОН»: Талиронд - 73, предназначенный для сверхточных лабораторных измерений деталей средних размеров, и Талороид - 200 - для менее точных измерений в цеховых условиях. При создании новых моделей кругломеров большое внимание уде­ ляется разработке автоматического центрирования (поскольку эта операция наиболее трудоемка); применению цифрового отсчета; 159 измерению отклонений от прямолинейности образующей цилиндра с использованием прецизионного продольного движения шпинделя; обеспечению быстроты и наглядности при промежуточных наблю­ дениях, чему способствует показ на экране электроннолучевой трубки профиля измеряемой детали на фоне базовой окружности, осуществлению цифропечати отклонений формы. 4.2. Кругломеры зарубежных фирм За рубежом кругломеры выпускаются в Англии, США, ФРГ и Японии. Ниже рассматриваются в основном новые модели кругло­ меров, разнообразные по конструкции и метрологическим характе­ ристикам, получившие название «Талиронд». Большинство из них выпускается известной английской фирмой RankTaylor-Hobson. Кругломер модели «Талиронд-51» широко применяется в про­ мышленности. Кругломер модели «Талиронд-2» предназначен для проверки крупногабаритных деталей. В столе прибора имеется (обычно закрытое диском) отверстие, используемое при установке длинных валов. В центре диска распо­ ложено небольшое отверстие для установки зажимных приспособ­ лений при проверке более коротких деталей. Стол может перемещаться только в горизонтальной плоскости в двух взаимно перпендикулярных направлениях на расстояние 12,5 мм от центра стола. Все вертикальные перемещения осуществ­ ляются блоком шпинделя, установленным на каретке, передвигаю­ щейся по вертикальным направляющим колонны прибора. Колонна может поворачиваться вокруг вертикальной оси, что исключает воз­ можность повреждения блока шпинделя при установке больших де­ талей. Узел шпинделя установлен на опорах скольжения с гидроди­ намической смазкой, остальные узлы прибора унифицированы с со­ ответствующими узлами модели «Талиронд-51». Для работы с прибором «Талиронд-2» фирма выпускает специ­ альные приспособления для измерения длинных валов и проверки прямолинейности. Приспособление для измерения валов (рис. 92) предназначено для закрепления и точной установки цилиндрических валов и шпинделей длиной до 1270 мм, диаметром до 254 мм. Приспособление состоит из двух поддерживающих штанг 2, установочной планки 1 с опор­ 160 ными фиксаторами, трех упорных кронштейнов 3, 5, б и стального шарика диаметром 12,7 мм (на рисунке не показан). Поддерживаю­ щие штанги пропускаются через специальные отверстия в столе при­ бора, нижние концы штанг соединены поперечиной. ноли с регулировочными винтами, в кронштейне 3 - пружина сжа­ тия. После установки детали необходимо обеспечить ее соосность со шпинделем либо с помощью точного угольника и двух регулиро­ вочных винтов, смещающих пиноли кронштейнов, либо с помощью щупа, длина которого позволяет обеспечить наибольшую длину пе­ ремещения детали в вертикальном направлении. Последний способ применяется, если вал ступенчатый или имеет буртики. Приспособление для проверки прямолинейности позволяет ме­ ханически перемещать узел шпинделя относительно каретки при­ бора в пределах 100 мм, что значительно облегчает установку дета­ ли по отношению к оси шпинделя при проверке концентричности и плоскостности. В комплект приспособления входят коробка передач с электро- Рис. 92 Вдоль штанг с интервалом 75 мм одно от другого располо­ жены отверстия, в которые вставляются опорные фиксаторы. Фиксаторы удерживают устано­ вочную планку на высоте, опре­ деляемой длиной проверяемого вала. В центре верхней плоскости планки в коническом гнезде по­ мещают стальной шарик, на ко­ торый центровым отверстием опирается проверяемая деталь 4 (если деталь не имеет центрового отверстия, необходимо вставить фальшивый центр). Кронштейны устанавливаются в Т-образные пазы стола и закрепляются гай­ ками. Кронштейны предназначе­ ны для установки оси детали па­ раллельно с осью шпинделя. В кронштейнах 5 и 6 имеются пи- 161 двигателем и пульт управления. Коробка передан монтируется на каретке прибора и соединяется шестерней с ручным приводом вер­ тикального перемещения шпинделя. Скорость механического пере­ мещения шпинделя 152 или 30 мм/мин. К кругломерам «Талиронд-51» и «Талиронд-2» прилагается ряд приспособлений, расширяющих метрологические возможности этих приборов. Например, приставка - счетно-решающее устройство, вычисляющее параметры базовой окружности (за нее принимается средняя окружность) и определяющее расстояние от нее до наибо­ лее удаленной точки круглограммы. Для определения этих величин в счетно-решающее устройство должны быть введены две координаты: линейная величина, харак­ теризующая колебания радиуса детали (это сигнал преобразователя, подаваемый на записывающее устройство), и угловая величина - угол поворота шпинделя кругломера. Для получения второй вели­ чины необходимо связать преобразователь угла поворота со шпин­ делем. В качестве преобразователя используется двухступенчатый потенциометрический преобразователь, подвижные элементы кото­ рого вращаются синхронно со шпинделем кругломера. Счетно-решающее устройство может выполнять три вида операций: расчет параметров средней окружности и отклонений от нее; расчет параметров среднего эллипса (в случаях, когда кругло- грамма является четко выраженным овалом и нужно оценить от­ клонения от него более высоких порядков) и отклонений от него; автоматическое исключение эксцентриситета проверяемой детали. Для облегчения гармонического разложения круглограммы в ряд Фурье с использованием универсальных вычислительных машин нужны кодированные данные в виде таблиц или перфолент. Перфо­ ленты можно получить непосредственно на кругломере при изме­ рении детали с помощью одноканальной аналого-цифровой систе­ мы типа LY-1474, выпускаемой фирмой Solartron (Англия) для при­ боров типов «Талиронд» и «Талисерф» (последний - для измерения шероховатости). Система состоит из аналого-цифрового преобразователя, стре­ лочного прибора, кодирующего устройства, перфоратора и блока управления. Аналоговый сигнал измеряется и преобразуется в циф­ ровой вид в диапазоне 0 - 999 мВ с погрешностью ±1 мВ. Измерен­ ное значение напряжения появляется на цифровом табло в виде 162 трехзначного числа. Перфорирование можно нести в любом коде с пятью дорожками. Блок управления обеспечивает синхронизацию работы преобразователя и перфоратора, приводимого в действие от сети. Информация, содержащаяся на перфоленте, вводится в вычис­ лительную машину для последующей обработки. Кроме того, к кругломерам «Талиронд-51» и «Талиронд-2» пре­ дусматриваются следующие приспособления: накладной стол для центрирования и нивелирования деталей; центрирующий стол для быстрого центрирования деталей раз­ личных диаметров; магнитная призма для закрепления небольших деталей типа ша­ риков, роликов, колец и т. п.; приспособление для проверки прерывистых поверхностей; приспособление для проверки концентричности поверхностей; приспособление для проверки плоскостности торцов. Конструкция последних трех приспособлений аналогична конст­ рукции подобных приспособлений для кругломера модели 218 за­ вод а «Калибр». На выставке SIMA - Объединения предприятий научного при­ боростроения - демонстрировался ряд новых приборов, выпускае­ мых английской фирмой Rank Taylor-Hobson. Основные из них - усовершенствованные модели кругломеров «Талиронд-51» и «Та- лиронд-2», которые были названы соответственно моделями «Тали- ронд-73» и «Талиронд-3». Электронные схемы новых приборов полностью переведены на полупроводники, расширены пределы увеличений до 20000х, рас­ ширены полосы пропускания фильтров, вдвое увеличены скорости измерения. Самописец выполнен в виде отдельного блока. Измене­ на конструкция привода вращения шпинделя: отсутствует коробка передач - двухскоростной электродвигатель через муфту напрямую соединен со шпинделем. Вместо прижимных щеток, через которые передавался сигнал от измерительного преобразователя, использован разъем с гибким приводом, обеспечивающий постоянный надежный контакт. В модель «Талиронд-3» встроен привод вертикального перемеще­ ния стола (предел перемещения 100 мм) вместо отверстия в столе. Оба прибора снабжены новой вычислительной приставкой, соб­ ранной на интегральных элементах, что позволило в несколько раз 163 уменьшать ее габариты по сравнению с предыдущей конструкцией. На лицевой панели приставки размещены три показывающих при­ бора. По одному из них отсчитывается среднее арифметическое от­ клонение кривой профиля от средней окружности, высота наиболь­ шего выступа и глубина наибольшей впадины, а также их арифме­ тическая сумма. Измеряемый параметр выбирается с помощью двух тумблеров. По двум другим показывающим приборам отсчитывают коорди­ наты центра проверяемого профиля по осям X и Y относительно центра диаграммного диска. Приставка позволяет также автоматически центрировать запись относительно диаграммного диска. Все измеряемые параметры от­ считываются в миллиметрах или дюймах. Кругломер модели «Талиронд-200» - настольный прибор ори­ гинальной конструкции, предназначенный в основном для работы в лаборатории. Кругломер модели «Талиронд-100» - компактный настольный недорогой прибор, все его узлы, включая электронную схему и само­ писец, размещены в одном корпусе. Шпиндель прибора - на опорах скольжения. В качестве измерительного преобразователя использо­ ван стандартный индуктивный преобразователь «Талилин-4». Прибор может быть использован также для проверки концентрич­ ности наружных и внутренних поверхностей, расположенных в од­ ной плоскости, параллельности нескольких горизонтальных поверх­ ностей и перпендикулярности оси проверяемой детали к ее торцу. Фирма FAG Kugelfischer (ФРГ) выпускает кругломеры «Тали- трон R-20» и «Эйр-Трейсер», демонстрировавшиеся на выставке SIMA в 1968 г. Оба прибора работают совместно с универсальной измерительной пневматической системой и самописцем, получив­ шим название «Эйр-Граф». Кругломер модели «Талитрон R-20» предназначен для измере­ ния тяжелых крупногабаритных деталей. Прибор состоит из стола, П-образной стойки-портала, каретки со шпинделем и преобразователя. Для установки тяжелых деталей с помощью грузоподъемного оборудования стол можно выдвигать из-под портала по рельсам, расположенным на полу. Стол прибора выполнен в виде рамы, внутри которой расположены ряды цилинд­ ров. Их торцовые поверхности образуют рабочую плоскость стола. 164 В средней части перекладины портала установлена каретка, которая может перемещаться по взаимно перпендикулярным направлениям в горизонтальной плоскости на шариковых опорах. Ход каретки ±12 мм от среднего положения. Привод осуществляется от двух ша­ говых двигателей с дистанционным управлением. В каретке смонтирован основной узел кругломера - прецизион­ ный шпиндель на аэростатических подшипниках. Шпиндель может наклоняться относительно каретки на неболь­ шой угол, что позволяет компенсировать неперпендикулярность установочного торца проверяемой детали к ее оси. Наклон шпинделя осуществляется с помощью винта, воздейст­ вующего на гильзу шпинделя. Нижней опорой гильзы служит уча­ сток шаровой поверхности, относительно которой и наклоняется шпиндель. Шпиндель может перемещаться в вертикальном направ­ лении относительно гильзы в пределах 450 мм. Он приводится во вращение от электродвигателя через коробку передач. На нижнем торце шпинделя установлена направляющая планка, на которой закрепляются преобразователь и противовес. В первых моделях прибора был использован пневматический преобразователь типа «сопло-заслонка», в настоящее время разрабатывается прибор с индуктивным преобразователем. Кругломер модели «Эйр-Трейсер» - накладной прибор, предна­ значенный для измерения глубоких отверстий. Прибор состоит из измерительной головки, вставляемой в отвер­ стие, блока привода и трех соединительных карданных тяг. Головка прибора имеет одну подпружиненную и две пары раздвижных но­ жек, с помощью которых осуществляется центрирование. В центре головки расположены шпиндель и преобразователь. Шпиндель вращается в прецизионной шариковой втулке. На шпинделе эксцентрично с осью его вращения закреплен кронштейн, на конце которого установлен пневматический преоб­ разователь, работающий по принципу «сопло-заслонка». Фирмой запатентовано оригинальное пневматическое устройство, позво­ ляющее поворачивать кронштейн относительно шпинделя, меняя тем самым расстояние от преобразователя до оси вращения шпин­ деля. Это расстояние определяется диаметром измеряемого отвер­ стия, и его можно менять в пределах до 20 мм. После того как преобразователь установлен в рабочем положе­ 165 нии, кронштейн пневматическим зажимом жестко закрепляется на шпинделе. Во время измерения шпиндель с преобразователем вра­ щается относительно неподвижной головки. Фирма FAG Kugelfischer выпускает разнообразные накладные кругломеры, отличающиеся длинами кронштейнов, несущих преоб­ разователь, и сменными опорными ножками. 4.3. Преобразование и регистрация сигнала измерительной головки Система преобразования и регистрации сигнала измерительной головки кругломера состоит в общем случае из пяти основных эле­ ментов: щупа, измерительной головки, преобразователя, блока уси­ лителя, блока частотных фильтров и регистрирующего прибора. Щуп измерительной головки входит в состав пребразовательной системы кругломеров, использующих контактный метод измерения. В бесконтактных (обычно емкостных) системах этот элемент отсут­ ствует. Щуп представляет собой механический рычаг, передающий перемещения измерительного наконечника чувствительному эле­ менту преобразователя. Измерительный наконечник закрепляется на одном плече рычага, а чувствительный элемент - на втором. Пе­ редаточное отношение рычага выбирается конструктивно, его абсо­ лютное значение и доля в общем передаточном отношении прибора существенной роли не играют, так как задача усиления сигнала и обеспечение необходимой шкалы увеличений решается блоком усилителя. Основное внимание при конструировании щупа и сис­ темы его подвески должно быть уделено правильному выбору их динамических параметров. В процессе измерения некруглости щуп измерительной головки кругломера перемещается в радиальном относительно детали на­ правлении, следуя за неровностями профиля. На приборах с вра­ щающимся шпинделем измерительная головка дополнительно на­ ходится в состоянии равномерного вращательного движения. Щуп обладает некоторой массой и моментом инерции, в системе его подвески могут быть использованы различного вида пружины и обязательно присутствуют пружины, обеспечивающие измеритель­ ное усиление. Точность процесса воспроизведения щупом отклоне­ ний формы зависит от перечисленных параметров, определяющих 166 его поведение под влиянием возмущения, обусловленного неровно­ стями контролируемой поверхности. Мы отметим только основные требования к конструкции щупа и системы его установки, которые должны быть выполнены для того, чтобы исключить возможность появления ошибок измерения. 1. Измерительное усилие, с которым щуп поджимается к детали, должно быть достаточно мало, чтобы гарантировать п р о в е ­ р я е м у ю поверхность от повреждения и исключить смятие не­ ровностей в процессе обкатки. Из опытных и расчетных материа­ лов, полученных при исследовании контактных методов измерения шероховатости поверхности, известно, что уже при очень неболь­ ших (порядка 9,8-103 Н) давлениях деформации профилируемой поверхности могут превзойти предел упругости. 2. Параметры щупа, механизма его подвески и механизма обеспе­ чения измерительного усилия должны быть подобраны из условия ис­ ключения возможности отскока наконечника от проверяемой детали. Для приборов с вращающейся измерительной головкой при выполне­ нии этого условия должны быть приняты во внимание как центробеж­ ная сила, так и силы инерции, возникающие в результате радиальных перемещений щупа по неровностям профиля. Та из сил, которая ока­ жется больше, принимается в расчет необходимого усилия поджима наконечника. В приборах, работающих с неподвижной измерительной головкой (вращается проверяемая деталь), центробежная сила на на­ конечник головки не действует, и при расчетах учитываются только силы, возникающие во время радиальных перемещений. Конструкция измерительных головок современных кругломеров, как правило, предусматривает возможность изменения измеритель­ ного усилия как по значению, так и по направлению. Направление измерительного усилия изменяется на противоположное при пере­ ходе от проверки наружных поверхностей к проверке внутренних и наоборот. Измерительное усилие определяется с помощью рычаж­ ной установки типа весов. Равноплечий рычаг на ножевой опоре нагружается на одном плече измерительным усилием установлен­ ной на стойке измерительной головки, а на втором - гирями. Стрел­ ка, связанная с рычагом, и риска на шкале позволяют точно опреде­ лить положение равновесия. 3. Важным параметром щупа является частота его собственных колебаний шс. Она должна быть по крайней мере вдвое больше, чем 167 частота возмущающих сил сов, чтобы исключать возникновение ус­ ловий резонанса сос > 2совпих Резонанс недопустим не только в связи с опасностью отрыва на­ конечника от проверяемого профиля (при достаточно большом из­ мерительном усилии отрыва не будет и на резонансной частоте), но и потому, что при резонансе могут иметь место колебания щупа без отрыва наконечника от детали, а это исказит и амплитуды и фазы регистрируемых неровностей. Собственно преобразователь является следующим за щупом звеном системы преобразования сигнала. В кругломерах использу­ ются три вида преобразователей: индуктивные, емкостные и пнев­ матические. Два первых превращают механические перемещения наконечника в электрический сигнал, усиливаемый затем электрон­ ной схемой и подаваемый на отсчетный или регистрирующий при­ бор. В пневматических преобразователях изменение положения на­ конечника трансформируется в изменение давления воздуха, кото­ рое далее усиливается пневмосистемой. Возможно создание пьезо­ электрических преобразователей, а также комбинированных пнев- моэлектрических или оптико-электрических устройств, но практи­ ческого применения в кругломерах они пока не нашли. Типовая схема индуктивного преобразователя показана на рис. 93, а. Преобразователь состоит из Е-образного сердечника, на внешних пластинах которого расположены обмотки, а на средней закреплена опора якоря, жестко связанного со щупом. Каждая внешняя пластина вместе со средней и якорем образует магнитный контур, замыкающийся через воздушный зазор h. Сопротивление такого контура зависит от ширины воздушного зазора. Поэтому, если на каждую катушку подать от генератора напряжение высокой частоты, амплитуда сигнала будет изменяться при изменении зазо­ ра. Питающее катушки преобразователя напряжение называют не­ сущей частотой, а изменение его амплитуды в связи с изменением зазора — амплитудной модуляцией несущей частоты. Катушки со­ единяют в мостовую схему, как это показано на рис. 93, б. К одной из диагоналей моста подключается генератор несущей частоты, а со второй сигнал подается в блок усилителя. При верти­ кальном положении щупа зазоры между крайними пластинами сер­ дечника и якорем равны. Мостовая схема регулируется так, чтобы в этом положении сигнал в диагонали моста был равен нулю. При 168 смещении щупа баланс мостовой схемы нарушается и в усилитель поступает сигнал, пропорциональный этому смещению. Другой ва­ риант схемы индуктивного преобразователя показан на рис. 93, в. Внутри корпуса 2 размещены две одинаковые катушки 3 и 5, разде­ ленные изоляционной прокладкой 4. Сердечник 6 на стержне 1, вы­ полненном из немагнитного материала, перемещается внутри кату­ шек. Как и в предыдущем случае, катушки питаются напряжением несущей частоты. Когда сердечник расположен симметрично отно­ сительно катушек, схема сбалансирована. При смещении сердечни­ ка из среднего положения баланс нарушается и преобразователь трансформирует это смещение в электрический сигнал. Рис. 93 169 Емкостные преобразователи в серийно выпускаемых кругломе­ рах до настоящего времени не использовались. Они встречаются в лабораторных установках типа стендов для проведения экспери­ ментов, связанных с измерением некруглости или погрешности вращения. Пример измерительной головки с пневматическим преобразова­ телем представлен на рис. 94, а. Рис. 94 Щуп 1 подвешен на конических опорах 8 и на верхнем конце имеет доведенный диск 2 . Напротив диска установлено п н е в м а т и ­ ческое сопло 4 диаметром 1,6 мм. Зазор между торцами сопла и диска регулируется перемещением шарика 6, упирающегося в скос державки 5 сопла. Шарик перемещается посредством микровинта 7. Верхний конец щупа соединен пружиной 3 со штифтом, запрессо­ ванным в верхнюю часть державки сопла. Вторая пружина 3 у с га- 170 новлена между штифтом державки и корпусом измерительной го­ ловки. Пружины служат для создания и изменения направления из­ мерительного усилия. Рабочее давление воздуха, подаваемого в из­ мерительную головку, равно 0,28 кгс/см2. В результате перемеще­ ний измерительного наконечника, обусловленных погрешностями формы проверяемой детали, меняется зазор между диском щупа и соплом, вследствие чего меняется давление в пневматической цепи прибора. Последняя (см. рис. 94, б) питается от сети через фильтр 1 и редуктор 2, обеспечивающий стабильное давление 4,2 кгс/см2. От редуктора 2 воздух по шлангу 3 подается в подшипники шпиндель­ ного узла кругломера, а по шлангу 10 поступает через второй ре­ дуктор 9 и регулятор 8 к измерительной головке. Редуктор 9 обеспе­ чивает давление, равное 0,28 кгс/см2, а регулятор меняет увеличение измерительной системы (1000х или 5000х) в зависимости от того, от­ крыты ли оба канала Ri и R2 или только Rt. Сигналы измерительной головки поступают в усилитель 6, а от него к самописцу 7. Характе­ ристика измерительной головки имеет прямолинейный участок, ог­ раниченный давлениями от 0,18 до 0,32 кгс/см2. Чтобы обеспечить работу в этом диапазоне, усилитель разделен диафрагмой на две ка­ меры. В одну из них через редукторы 4 и 5 подается давление 0,19 кгс/см2, а вторая камера соединена с измерительной головкой. В результате нулевое положение прибора соответствует давлению 0,19 кгс/см, а нелинейная начальная часть характеристики отсекается. Недостатком пневматических систем (преобразования и обра­ ботки сигнала) является их большая инерционность и, соответст­ венно, малое быстродействие по сравнению с электрическими сис­ темами. Поэтому частотная характеристика приборов, использую­ щих пневматические преобразователи, имеет очень низкий верхний предел пропускания, и с их помощью можно выявлять лишь низко­ частотные отклонения формы (менее 10 неровностей на оборот), да и то при весьма малых скоростях вращения шпинделя (порядка 1 об/мин и меньше). В итоге такие системы недостаточно полно информируют об объекте измерения при низкой производительно­ сти контроля. В настоящее время пневматические преобразователи встречаются в_ кругломерах очень редко. Усилители, применяемые в кругломерах, принципиально не от­ личаются от широко известных усилительных схем, используемых в приборах для контроля шероховатости поверхности, стандартных 171 измерительных головках для измерения малых линейных переме­ щений, в обычной радиоаппаратуре. В стандартах ряда стран, в том числе и в СНГ, регламентируется предпочтительный ряд коэффици­ ентов увеличения, которые должны обеспечиваться блоком усили­ теля кругломера. ГОСТ 17353-71 рекомендует выбирать увеличения из следующего ряда: 50; 100; 200; 500; 1000; 2000; 5000; 10000; 20000; 50000. В большинстве приборов ряд увеличений, обеспечи­ ваемых усилителем, шире рекомендуемого стандартом. В первую очередь это относится к кругломерам с вращающейся измеритель­ ной головкой, где часто используются сменные измерительные щу­ пы разной длины. Каждому размеру щупа соответствует свой ряд увеличений, и часть его значений может не совпадать со значения­ ми ряда, соответствующего щупу другой длины. Для того, чтобы иметь возможность подобрать одинаковые увеличения при разных щупах (это облегчает контроль взаимного расположения отдельных сечений детали), в усилителях некоторых приборов предусматри­ ваются делители, позволяющие умножить любое значение основной шкалы увеличений на дополнительный коэффициент, выбираемый в диапазоне 0,5 - 2 с дискретностью 0,1. Максимальное увеличение, принятое в том или ином приборе, зависит от точности последнего. Для кругломеров класса 1 оно не должно быть менее 20000х, класса 2 - 10000х, класса 3 - 5000х и класса 4 - 2000х. В зависимости от класса точности прибора регламентируется и допускаемая погрешность увеличения, под которой понимается мо­ дуль отношения разности между действительным и номинальным значениями увеличения к номинальному его значению, выражен­ ный в процентах. Допускаемые погрешности увеличения равны: 3 % для кругломеров класса точности 1; 5 % для кругломеров клас­ са 2; 8% для кругломеров класса 3; 10% для кругломеров класса точности 4. Аналогичные допуски выдерживаются обычно и иностранными фирмами, выпускающими кругломеры, хотя за рубежом деление их на классы точности не стандартизовано. Методика калибровки и проверки увеличения кругломера сво­ дится к тому, что щупу измерительной головки сообщаются пере­ мещения, размер которых известен с достаточно высокой точно­ стью, а выходной сигнал усилителя регистрируется и сопоставляет­ ся с исходным перемещением. Калибруются, таким образом, совме­ 172 стно два звена - измерительная головка и усилитель. Если же реги­ страция производится записывающим прибором кругломера, как это обычно бывает при сдаточно-приемочных испытаниях или при периодической поверке прибора, то калибруется вся система преоб­ разования сигнала измерительной головки. Схему усиления сигнала удобно строить таким образом, чтобы увеличение регулировалось не раздельно на каждой ступени, а только на одной из них. При этом важно правильно выбрать ту степень увеличения, на которой наиболее целесообразно провести калибровку. Дело в том, что по­ грешность увеличения тесно связана с нелинейностью амплитудной характеристики измерительной головки. Когда калибруют увеличе­ ние на одной из ступеней, выбирают определенное смещение щупа и регулируют чувствительность преобразователя так, чтобы при этом смещении увеличение точно соответствовало номинальному. Частотные фильтры кругломера. Кругломеры предназначены для измерения отклонений формы деталей (включая волнистость), т. е. определенного диапазона неровностей поверхности. В характе­ ристике каждого конкретного прибора указывается, какое макси­ мальное число неровностей на окружности детали можно зарегист­ рировать с его помощью. При этом имеются в виду условные не­ ровности с плавным синусоидальным профилем, расположенные на окружности равномерно. Если учесть, что шпиндель кругломера вращается с некоторой постоянной скоростью ю, совершая один оборот за время Т (в секундах), то очевидно, что число регистри­ руемых за один оборот неровностей - это, по существу, частотная характеристика, показывающая, какую полосу частот колебаний измерительного наконечника прибор пропускает. Нижней границей этой полосы всегда является нулевая частота, а верхней - частота frp = N / Т, Гц, где N - максимальное число регистрируемых неров­ ностей. Колебания, частота которых превышает f^, регистрируются кругломером с заниженной амплитудой или совсем не регистриру­ ются. В этом смысле кругломер в целом может рассматриваться как частотный фильтр. Своеобразным механическим фильтром является и измерительный наконечник, стандартный размер радиуса которо­ го не позволяет ему реагировать на неровности, характеризующие шероховатость поверхности. Современные кругломеры, исполь­ зующие индуктивные преобразователи, позволяют регистрировать несколько сотен равномерно расположенных на окружности неров­ 173 ностей за один оборот шпинделя. В ГОСТ 17353-71 частотная ха­ рактеристика кругломеров регламентируется в зависимости от класса точности прибора и должна обеспечивать регистрацию не менее 150 неровностей на окружности для кругломеров классов 1, 2, 3. Для приборов класса 4 эта граница соответствует 50 неровно­ стям на окружности, а для пневматических кругломеров - 15 не­ ровностям. Экспериментальное изучение частотных спектров не­ ровностей деталей, контролируемых с помощью кругломеров, пока­ зывает, что практически встречающееся наибольшее число относя­ щихся к погрешностям формы неровностей на окружности детали не превышает 250. Отклонения более высокой частоты встречаются редко, и в тех случаях, когда они присутствуют, их амплитуды на­ столько малы, что существенно на форму детали не влияют. Эти данные получены на основе амплитудно-частотного анализа 1000 круглограмм деталей, обработанных на различных моделях токар­ ных, расточных, круглошлифовальных, внутришлифовальных и бесцентровошлифовальных станков. Круглограммы были получены с помощью прибора «Талиронд-51», позволяющего регистрировать до 450 неровностей на окружности. Анализ выполнялся посредст­ вом набора прозрачных шаблонов, на которых были нанесены ок­ ружности, разделенные на секторы, соответствующие угловому ша­ гу неровностей определенной частоты. Для каждой круглограммы определялись частоты наиболее характерных неровностей и их ам­ плитуды, а затем строилась гистограмма распределения частот ха­ рактерных отклонений. Помимо выявления практически значимой верхней границы реального частотного спектра некруглости дета­ лей, анализ показал, что наиболее часто встречаются частоты, ле­ жащие в диапазоне 2 - 1 6 неровностей на окружности, и что для каждого станка при фиксированном режиме обработки характерен стабильный спектр отклонений от круглости, который включает в себя от двух до четырех четко выраженных частот. Отсюда следует, что при исследовании причин возникновения погрешностей формы, а также для анализа характера присутствующих на детали отклоне­ ний желательно иметь возможность избирательной регистрации частот при измерении некруглости. Для этого у кругломеров в схе­ ме преобразования сигнала измерительной головки предусматри­ ваются частотные фильтры, включая которые можно дифференци­ рованно регистрировать различные по частоте участки спектра от­ 174 клонений формы детали. Согласно ГОСТ 17353-71 каждый кругло­ мер (кроме пневматических) должен иметь не менее двух частотных фильтров. Один из них используется для подавления высокочастот­ ной части спектра и регистрации только низкочастотных состав­ ляющих, второй - для подавления низких частот и регистрации вы­ сокочастотных неровностей. Верхняя граница полосы пропускания первого из обязательных фильтров соответствует 15 неровностям на окружности детали, и эта же частота соответствует нижней границе полосы пропускания второго обязательного фильтра. В тех случаях, когда в приборе имеется больше двух фильтров, границы полос пропускания частот рекомендуется выбирать из следующего ряда: 1; 1,67; 5; 15; 50; 150; 400; 500. Число 1,67 введено в этот ряд в ка­ честве границы фильтра, подавляющего первую гармонику сигнала, обусловленную эксцентриситетом детали относительно оси враще­ ния шпинделя кругломера. Реального числа неровностей на окруж­ ности эта цифра, естественно, не представляет. Больше всего в практике распространены фильтры с границами Г — 15; 1 — 50; 15 — N, где N - максимальное число неровностей на окружности, регист­ рируемое прибором. У некоторых приборов с двумя или более ра­ бочими скоростями вращения шпинделя число выделяемых диапа­ зонов неровностей соответственно больше. Это объясняется уже отмечавшейся выше зависимостью частоты, генерируемой опреде­ ленным числом неровностей на окружности детали, от скорости вращения шпинделя. Если, например, в электронной схеме кругло­ мера имеется фильтр, настроенный на подавление частот от frp и выше, то его верхняя граница в числах неровностей на оборот опре­ делится как N = f-P • 60 / п, где п - число оборотов шпинделя в ми­ нуту. Если у кругломера две скорости вращения шпинделя, то, ме­ няя п, можно с помощью одного и того же фильтра выделить два различных диапазона неровностей. Регистрирующий прибор-самописец является последним зве­ ном преобразования сигнала измерительной головки, с его помо­ щью погрешности формы проверяемой детали регистрируются в виде кривой на диаграммной бумаге. Измерительная система само­ писцев представляет собой магнитоэлектрический м и к р о а м п ер м етр с подвижной рамкой и наружным магнитом. Здесь мы только тех вопросов, которые специфичны для самописцев, зуемых в кругломерах. В зависимости от системы коор , 175 торой производится запись, самописцы кругломеров делятся на по­ лярные, прямоугольные и комбинированные или универсальные. В подавляющем большинстве приборов используются полярные са­ мописцы. По способу записи различают чернильные и электротер­ мические самописцы. У первых перо представляет собой капилляр­ ную трубку с резервуаром для чернил, у вторых - металлический стержень, имеющий на конце тонкую проволочку, которой иногда придают форму петли. Для электротермической записи применяет­ ся специальная бумага, одна из сторон которой графитизирована. Этой стороной бумага касается металлического лотка самописца. На перо, контактирующее со второй, диаграммной, стороной бума­ ги, в момент записи подается высокое напряжение (порядка 300 В), в результате чего кончик пера прожигает на бумаге тонкую линию, четко выделяющуюся на светлом фоне. Толщину записи регулиру­ ют потенциометром, встроенным в блок усилителя кругломера. Для уменьшения влияния трения пера о бумагу в некоторых моделях приборов на рамку дополнительно подается высокочастотный сиг­ нал очень небольшой амплитуды так, что перо постоянно колеблет­ ся относительно бумаги. Визуально эти колебания незаметны, но они исключают влияние на точность записи момента (перехода от трения покоя к трению скольжения). Самописцы с электротермиче­ ской записью намного удобнее чернильных, которые применяются только в старых моделях кругломеров. Для записи в полярных ко­ ординатах используется бумага в форме круглого диска с неболь­ шим отверстием в центре. На рабочей стороне диска наносится сет­ ка из двух концентричных окружностей и радиальных лучей. Одна из окружностей расположена вблизи периферии диска, а вторая ог­ раничивает центральный круг диаметром 20 - 30 мм. Зона между этими окружностями предназначена для записи круглограммы. Ра­ диальными лучами она разбита на двенадцать или более равных секторов. Внутри зоны записи нанесена шкала или в виде тонких концентрических окружностей, или в виде делений на радиальных лучах. В центральном круге выделены сегменты для записи назва­ ния детали, значения увеличения и индекса фильтра, на которые был настроен прибор во время измерения. Размеры диаграммного диска должны быть согласованы с основными техническими харак­ теристиками прибора: пределами измерения, увеличением и общей частотной характеристикой. Если, например, прибор позволяет за­ 176 писать до 500 неровностей на окружности, то размер диска должен быть таким, чтобы шаг этих неровностей был бы порядка 1 мм, иначе их трудно увидеть на записи. У некоторых приборов (англий­ ские кругломеры «Талиронд») это соотношение не/выдержано, и поэтому реализовать полностью возможности измерительной схемы практически нельзя. Для записи в прямоугольных координатах ис­ пользуются самописцы и бумажные диаграммные ленты, приме­ няемые в приборах для контроля шероховатости поверхности. Перо самописца устанавливается на рамке, совершающей враща­ тельное движение. Поэтому, если не принять специальных мер, за­ пись, выполненная на плоском диске или плоской ленте, будет кри­ волинейной. В прецизионных кругломерах такая запись неприем­ лема, так как она вызывает затруднения при расшифровке и число­ вой оценке отклонений. Чтобы выпрямить запись, бумагу распола­ гают в плоскости, параллельной оси вращения пера, и участок, на котором производится запись, пропускают через паз, имеющий форму кольцевого сегмента, концентричного оси вращения пера. Средний радиус паза равен расстоянию от наконечника пера до оси вращения. У полярных самописцев паз образуется цилиндрическим лотком и рычагом, прижимающим бумагу к вращающемуся диску, у прямоугольных - лотком и шаблоном, прикрепленным к крышке корпуса. Проходя через паз, бумага принимает его форму, и запись выполняется без искривления. Аналогичный результат можно по­ лучить, выполнив перо самописца состоящим из двух звеньев, со­ единенных шарниром. Первое звено закрепляется на рамке прибли­ зительно перпендикулярно к оси ее вращения, второе звено благо­ даря шарниру имеет возможность поворачиваться вокруг оси, пер­ пендикулярной к плоскости, в которой лежат ось вращения рамки и первое звено. Длины звеньев подбираются так, чтобы при среднем положении рамки наконечник пера контактировал с бумагой в сере­ дине зоны записи, а второе звено располагалось по отношению к первому под углом, близким к прямому. Когда рамка поворачивает­ ся, шарнир одновременно с поворотом поднимается над плоскостью бумаги, угол между звеньями пера увеличивается и соответственно увеличивается расстояние от присоединенного к рамке конца пер­ вого звена до наконечника пера. В связи с этим запись остается прямолинейной. Такая конструкция делает изгиб бумаги ненужным. При больших размерах бумаги, когда изогнуть ее на отдельном уча­ 177 стке сложно, предпочтительна конструкция с шарнирным пером. Одним из важных требований, предъявляемых к самописцам кругломеров, является постоянство скорости движения диаграммной бумаги. У самописцев с прямоугольной системой записи скоростью движения ленты определяется горизонтальный масштаб и его ста­ бильность. У полярных самописцев диаграммный диск должен вращаться не только с постоянной скоростью, но и строго синхрон­ но с вращением шпинделя. При полной'синхронизации каждая точ­ ка круглограммы будет точно совпадать по своему угловому поло­ жению с соответствующей точкой профиля проверяемой детали. Если скорость диаграммного диска отличается от скорости враще­ ния шпинделя на ±<я %, то погрешность углового положения теку­ щей точки записи составит ф3 • а / 100, где ф3 - текущий угол пово­ рота диска. К моменту завершения полного оборота, когда //Ш 7 Т //т н + £ I о J* Рис. 121. Схема, положенная в основу растровых приборов для измерения неровностей; а - вид спереди; б - вид сбоку В местах, где штрихи растра проецируют на склоны неровностей исследуемой поверхности, обращенные к проецируемому щупу, расстояние между соседними штрихами /,' меньше, чем нормаль­ 2 1 3 ный шаг /д, а на противоположных склонах эти расстояния (Г2) бу­ дут больше /д (см. рис. 122). Измерение расстояний пропорцио­ нально высотам неровностей. Цена муаровой полосы С, т. е. неплоскостность, соответствую­ щая искривлению в одну муарову полосу, зависит от шага Г0 ис­ ходного растра в плоскости исследуемой поверхности, угла проек­ ции а , угла наблюдения у, угла наклона « плоскости изображения 3' относительно исследуемой поверхности, угла <р между нормалью NO к плоскости 3' и плоскостью АОВ, проходящей через оптиче­ ские оси проецирующей и наблюдательной систем (см. рис. 1 2 1 ). Г - ! ' * + tffp ,tgy ,cos