Способ определения геометрических размеров микропроволоки

) С 01 Н 13/О ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЦТИЯМРИ ГКНТ СССР(71) Научно-исследовательский инст тут механики и физики при Саратов ком государственном университете им. Н,Г.Чернышевского(56) Авторское свидетельство СССР й 344690, кл, С 01 В 17/00, 1967, (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ МИКРОПРОВОЛОКИ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть ис пользовано для определения геометр ческих параметров микропроволоки, Целью изобретения является повыше ние точности при расширении диапа зона измеряемых размеров, В поле зрения оптического блока 5 наблюдают увеличенное изображение микропроволоки 1, затем включают звуковойгенератор 4, возбуждают с помощьюэлектровозбудителя 3 колебания ис-,следуемого отрезка проволоки, плавноизменяют частоту звукового генератора4 в заданном диапазоне возбуждаю-щих частот, с помощью оптическогоблока 5 фиксируют моменты резонансаколебаний проволоки в условиях напряжений, близких к пределу упругости, определяют значение резонанснойчастоты с помощью частотомера, уменьшают натяжение микропроволоки 1 нафиксированную величину, вновь определяют значение резонансных частоти по величине сдвига резонансных частот судят о диаметре проволоки, Мак"симальная чувствительност.ь к изменению диаметра микропроволоки наблюдается при значениях натяжения,близких к предельному. 3 ил.1732179 3Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения геометрических размеров микропроволоки,Известен оптический способ контроля диаметра микропроволоки, который осуществляется следующим образом, Между источником монохроматического параллельного потока света ивыпуклой сферической дифракционнойрешеткой устанавливают параллельноее штрихам контролируемую микропроволоку, направляют поток света надифракционную решетку, регистрируютотраженные от штрихов решетки равноотстоящие лучи и по количеству затененных лучей судят о диаметремикропроволоки.Однако этот способ имеет ряд существенных недостатков - достоверность и точность контроля диаметрамикропроволоки зависит от точной установки микропроволоки параллельноштрихам дифракционной решетки, Крометого, определение диаметра по количеству затененных лучей вносит допол"нительные погрешности,Известны также способ и устройство для бесконтактного измерениядиаметра изделий в Форме волокна,В первом способе световой луч смещается на изделии параллельно самомусебе практически перпендикулярнонаправлению излучения, Ро известнойскорости перемещения луча и времени,в течение которого наблюдается перекрытие луча, рассчитывают диаметризделия. Во втором способе парал-лельный световой пучок падает на датчик образов и между датчиком и источником излучения помещают объект, диаметр которого определяют по его тени, падающей на датчик, Точностьопределения диаметра в этбм случаеопределяется точностью совмещения фокуса коллиматорной линзы с положением источника излучения и расположением исследуемого объекта и датчика образов.Наиболее близким к предлагаемомуявляется способ определения линейного веса движущейся нити, заключающийся в том, что нить располагаютна двух опорах, в орной из которыхвозбуждают механические колебания,В качестве задатчика частоты колебаний опоры используют измеритель резо"нансных колебаний. Ппределяют частоту собственных колебаний нити, натянутой под действием силы Р, и определяют линейный вес нити по частоте колебаний на выходе измерителя,Основным недостатком способа является низкая чувствительность, что не позволяет применять данный способ для измерения линейного веса нитей малого диаметра и тем более для определения геометрических размеров микропроволоки.Целью изобретения является увеличение точности при расширении диапазона измерений,Указанная цель достигается тем,что согласно способу определениягеометрических размеров микропроволоки, заключающемуся в том, что закрепляют проволоку с возможностью изменений ее натяжения, возбуждают в нейколебания, осуществляют натяжение,микропроволоки до максимально допустимых значений, изменяют частоту колебаний, определяют резонансные частаты в условиях максимально допустимых натяжений, уменьшают натяжение микропроволоки на фиксированную величину, определяют резонансные частоты после уменьшения натяжения микро- проволоки и по величине сдвига резонансных частот определяют ее размеры,Нахождение резонансных частот в . условиях максимально допустимых натяжений определяют высокую чувствительность и, соответственно, высокую точность определения геометрических размеров микропроволоки, Это связано с тем, что в области максимально допустимых натяжений, величина сдвига резонансной частоты значительно больше, чем в области малых натяжений при равной (Фиксированной) величине изменения натяжения, Поэтому определение диаметра микропроволокиф по величине частотного сдвига в области максимальных натяжений осуществляется с большой точностью, Именно установление аномально высокой чувствительности к изменению диаметра при натяжениях, близких к предельным, позволяет достичь цель изобретения.Экспериментально исследована зависимость величины сдвига резонансных частот от величины натяжения микропроволоки при одинаковых условиях возбуждения колебаний, Для иллюстрации приведены полученныеисследуемого отрезка микропроволоки1, осуществляют натяжение микропроволоки до максимально допустимых значений плавно меняют частоту звуково)го генератора 4 с помощью оптического устройства 5, например, по наблюдению изменения спекл-картин, фиксируют моменты резонанса колебанийпроволоки в условиях напряжений,близких к пределу упругости, определяют значение резонансной частотыс помощью частотомера 6, Затем уменьшают натяжение проволоки на фиксированную величину, вновь определяютзначение резонансных частот и по велицине сдвига резонансных частот определяют геометрические размеры исследуемого отрезка проволоки,2 О П р и м е р. Определяли диаметрымикропроволок из различных сплавови материалов. Исследуемые участкипроволоки закреплялй, как описановыше) на рабочей поверхности электро 25 возбудителя) выполненного в видестолбика пьезокерамических пластинЦТС, Частоты колебаний электровозбудителя задавали генераторомнизкочастотных сигналов ГЗ/1 иизмеряли частотомером 43-33. Длянаблюдения увеличенного изображенияисследуемого участка проволоки использовали полуавтоматический теле, визионный микрометр УИЭ.РЛП ХШМ 1.182,003.10, Диапазон возбуждаемых цас 35 тот, задаваемых низкочастотным генератором,1500 Гц - 1 О кГц. При одинаковых условиях возбуждения колебаний по сдвигу резонансных частотпри изменении натяжения микропрово 46 локи определялись диаметры несколь"ких образцов из различных материалови сплавов, Диаметр микропроволокиможет быть рассчитан иэ следующеговыражения45г )гшт - ш)м ю Щ )вР Р=а где а , ш ц "г ч 51732179зависимости сдвига резонансных частот для образцов микропроволоки извольфрама П = 0,59 мм и сплаваХ 20 НВОВИ= 0,025 мм. Полученнаязависимость носит кусочно-Нинейныйхарактер, При экспериментальном исследовании зависимости частотногосдвига от величины натяжения микропроволоки пределы максимальных на)пряжений были ограничены разрывоммикропроволоки, а минимальные значения величины натяжения определялись по исчезновению соответствующего резонанса при фиксированной амплитуде возбуждающих колебаний.На фиг,1 и 2 приведены зависимости величины сдвига частот отнатяжения на фиг,3 - схема устройства, реализующего предложенныйспособ,Устройство для определения размеров микропроволоки 1 содержит источник 2 света, электровозбудитель 3,. например) в виде пьезокерамицескогостолбика, низкочастотный генератор4 сигналов, оптическое устройство 5для наблюдения увеличенного изображения микропроволоки, частотомер 6.Исследуемый отрезок микропроволоки 1 закреплен на рабочей поверхности электровозбудителя 3 с возможностью изменять натяжение проволоки,например, путем жесткого закрепленияодного конца проволоки и шарнирногозакрепления второго конца, В простейшем случае натяжение проволоки легкорегулировать, подвешивая к шарнирнозакрепленному концу грузы различного веса.Исследуемый отрезок микропроволоки1 расположен в поле зрения оптического устройства 5, с помощью которого наблюдают резонансы колебаний.Источник 2 света может входить в оптицеское устройство или располагатьсясбоку от исследуемого отрезка микропроволоки. 1. Рядом с электровозбудителем установлены звуковой генератор 4 и частотомер 6,Способ-осуществляется следующим Яобразом.Закрепляют микропроволоку с возможностью изменения ее натяжения, вполе зрения оптического устройства 5наблюдают увеличенное изображение ., 55микропроволоки, затем включают звуковой генератор 4, возбуждают с помощью электровозбудителя 3 колебания,- вес груза, определяющего натяжение проволокипри 2-м и 1-м измерениях резонансной частоты,- сдвиг резонансной частоты при изменениинагрузки от пг до щв .Нй7. 17К = 1, 2, 3;1 - длина образца микропроволоки,д - ускорение свободногопадения;- плотность материаламикропроволок,Данное выражение получено в результате решения уравнения изгибныхколебаний проволоки, растянутой фик. сированным усилием.В выражении присутствуют величины тпи п, определяющие осевоеусилие, и формула приведена лишьдля иллюстрации связи диаметра микропроволоки со сдвигом частоты, происходящим при изменении усилия, приэтом само изменение усилия нет необходимости измерять каждый раз. Ономожет быть один раз выбрано и определено, затем по сдвигу частотыпри этом фиксированном усилии определяется диаметр (с использованиемпредварительно проведенной калибровки, например установления угла наклона ривой, приведенной на графиках (фиг, 1 и 2),По сдвигу, частоты был определендиаметр проволоки из вольфрама дли.ной 1 = 0,12 м при изменении нагрузки от 0,4 до 0,3 кг, Для резонанснойчастоты 3300 Гц (К = 3) сдвиг частотыравен 460 Гц, соответственно, диаметр проволоки 59,110 м. При определении Г с точностью 10 Гц относительная погрешность измерений1,1 Ф, При изменении нагрузки от0,38 до 0,34 кг точность определения диаметра на той же резонанснойчастоте падает до 5,253, Таким образом,наибольшая точность измеренийдостигается при нагрузках, близкихк предельным, При изменении нагрузки на 0,01 кг в диапазоне 0,40,3 кг соответствующий сдвиг частотырастет от 40 до 48 Гц, Предлагаемымспособом был определен диаметр проволок из сплава Х 20 Н 80 ВИ ГОСТ 8803"77 при изменении нагрузки от 0,024 до0,023 кг для одной проволоки(0,025 кг - предельно допустимая нагрузка). Рля диаметра соответствующего участка проволоки длиной 1 =0,12 м, равного 1,92 ф 10 м, сдвигчастоты составлял 110 Гц для прово"локи (резонансная частота 5310 Гц,К = 4) при изменении предельной нагрузки от 0,037 до 0,036 кг сдвиг32179 8 5 10 5 20 25 30 35 40 45 50 частоты составлял 50 Гц (соответствующая резонансная частота 5640 Гцпри К = 4) при диаметре 36 10 м.Кроме того, была исследована зависимость сдвига резонансной частотыдля образцов микропроволоки в различных ее участках при постоянномнатяжении проволоки, Установлено,что максимальный сдвиг частоты равнялся 30 Гц при нагрузке 0,024 кгдля проволоки диаметром 0,020 мм изсплава Х 20 Н 80 ВИ, что соответствуетразности диаметров различных участков ЬЭ = 0,2 1 О м, Причем макси мальная чувствительность предлагаемого способа к изменению диаметрапроволоки наблюдалась при значенияхнатяжения, близких к предельному.При одинаковых условиях возбужденияи натяжения проволоки сдвиг частотыпри изменении диаметра на 0005 ммсоставлял 400 Гц для проволоки изсплава Х 20 НЯОВИ при нагрузке0,025 кг,С помощью предлагаемого способаможно определять изменения диаметрапорядка 0,1 мкм, что позволяет контролировать изменение поперечного сечения проволоки, наличие неоднородностей и вкраплений микропроволок,Определять геометрические размерымикропроволок из различных материалов и сплавов, диаметр которых превышает 1 мкм. При изменении диаметра проволоки на 0,1 мкм наблюдаемыйсдвиг резонансной частоты превышает10 Гц.Таким образом, предлагаемый способ превосходит известный по точностии чувствительности, так как позволяет определять диаметры микропроволокначиная с 1 мкм с максимальной по"грешностью не более 1,1-5,254. Крометого, предлагаемый. способ отличает"ся простотой реализации, При выводеизображения .на телеэкран применениеспособа резко повышает производительность определения геометричес-ких размеров микропроволок,Формула изобретения Способ определения геометрическихразмеров микропроволоки, заключаю"щийся в том, что закрепляют проволокус возможностью изменения ее натя"жения, возбуждают в ней колебания,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью повышения точности при расши9 1732179 1 Орении диапазона измеряемых размеров жение микропроволоки на фиксированмикропроволоки, осуществляют натя- ную величину, определяют резонансные жение микропроволоки ро максимально частоты после уменьшения натяжения допустимых значений, изменяют частоту микропроволоки и по величине сдвиган5колебании, определяют резонансные резонансных частот определяют ее частоты в условиях максимально до- размеры.пустимых натяжений, уменьшают натя.г, Р. ставитель 0,Несов Корректор И,Самборская едактор В,Петраш ред А,Кравчук Заказ 1575 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 ее Фажм ие 4 ВЕ ЮШ тваИВ 5 РЮФ ЮЭтвФщ еюЮЮВЕЮю авПроизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Укгород, ул. Гагарина, 101