Ćwiczenie nr 11
Pomiary mikroskopowe
Wstęp teoretyczny:
1. Mikroskop warsztatowy
Istnieje wiele rodzajów mikroskopów optycznych wykorzystywanych do generowania
powiększonych wizualnie obrazów bliskich przedmiotów. Mikroskop warsztatowy będący
przykładem mikroskopu technicznego, jest powszechnie używany we wszelkiego rodzaju
laboratoriach. Służy on między innymi do precyzyjnych pomiarów długości, z dokładnością
sięgającą 1 µm. Wiele spośród mikroskopów warsztatowych zaliczyć można do grupy
mikroskopów stereoskopowych wyposażonych w układ dwóch pojedynczych mikroskopów
ustawionych zbieżnie na obserwowany obiekt. Taka budowa pozwala na widzenie stereoskopowe
obrazu – każde oko obserwuje przedmiot pod innym kątem.
W skład każdego mikroskopu wchodzą dwa zespoły: zespół mechaniczny i zespół optyczny [1].
Do zespołu mechanicznego można zaliczyć:
• podstawę mikroskopu, zapewniającą jego stabilność;
• statyw, do którego przymocowany jest stolik przedmiotowy;
• śruby mikrometryczne zapewniające przesuw stolika przedmiotowego;
• tubus zawierający podstawowe elementy optyczne (okular i obiektyw);
• śrubę makrometryczną i mikrometryczną (najczęściej są to współosiowe pokrętła
służące do ustawienia ostrości widzianego obrazu).
Na zespół optyczny składa się:
• źródło światła;
• przesłona regulująca oświetlenie przedmiotu;
• kondensor;
• obiektyw o stosunkowo małym powiększeniu (około 5
¯
);
• okular dający powiększenie 10-15
¯
;
• pośrednie układy optyczne.
Oprócz wyżej wymienionych elementów w skład mikroskopu wchodzi również element
rejestrujący powstały obraz. Takim receptorem może być zarówno oko ludzkie, aparat
fotograficzny jak również kamera telewizyjna bądź CCD.
1 – regulacja ostrości okularów
2 – ustawienie powiększenia
3 – mocowanie oświetlacza
4 – stolik pomiarowy z możliwością przesuwu
5 – śruby mikrometryczne do przesuwu stolika
6 – przełączanie obrazu między drugim okularem a
kamerą
7 – regulacja natężenia oświetlenia
8 – śrubka mocująca falowód w oświetlaczu
9 – kabel łączący kamerę z komputerem
10 – śrubka mocująca tubus (łączący kamerę z
mikroskopem i umożliwiający ustawienie
ostrego
obrazu na kamerze)
11 – pokrętło do ustawiania ostrości mikroskopu
Rys. 1. Mikroskop warsztatowy firmy Meiji.
1
2
3
4
6
7
8
5
9
10
11
2. Skalowanie kamery mikroskopu
Mikroskop, którego będziemy używać do pomiarów, wyposażony jest w kamerę CCD. Powstający
obraz rejestrowany przez kamerę przenoszony jest do komputera, gdzie za pomocą programu
Profile.exe odbywa się jego dalsza analiza. Program komputerowy Profile.exe wykreśla wykres
rozkładu natężenia światła w obrazie mikroskopowym. Z uwagi na fakt, że na wykresie rozkład
natężenia światła wyrażony jest w funkcji pikseli istnieje potrzeba wykonania skalowania układu
optycznego. Skalowanie to ma na celu znalezienie przelicznika, który pozwoli na powiązanie
mierzonych wielkości (wyrażonych w pikselach) z rzeczywistymi wartościami.
3. Pomiar elementów gwintów
Przy pomocy mikroskopu warsztatowego można mierzyć takie podstawowe parametry
geometryczne gwintów jak (rys. 2):
– średnicę zewnętrzną i wewnętrzną (D1, D2)
– skok (S)
– kąt profilu gwintu (
α
).
Rys. 2. Przykłady kształtów gwintów: trójkątny (a), trapezowy (b).
Kąt profilu gwintu
Znając średnice zewnętrzną i wewnętrzną gwintu oraz skok gwintu trójkątnego możemy wyznaczyć
kąt profilu tego gwintu ze wzoru:
S
2arctan
D1 D2
α =
−
.
(1)
Pomiar kąta profilu gwintu trapezowego polega na zmierzeniu średnic dwóch przekrojów
poprzecznych trapezu (a, A), znajdujących się w określonej odległości H od siebie (rys. 3).
(a)
(b)
Profile.exe
Rys. 3. Zasada pomiaru kąta profilu gwintu trapezowego.
Kąt trapezu określa się ze wzoru:
A a
2arctan
2H
−
α =
.
(2)
3. Pomiar promienia krzywizny łuku
Promień krzywizny łuku określa się na podstawie znajomości elementów segmentu
łuku, takich jak wysokości h oraz długości cięciwy 2b (rys. 4).
Rys. 4. Zasada pomiaru promienia krzywizny łuku.
Szukany promień możemy wyznaczyć korzystając ze wzoru:
2
b
h
R
2h
2
=
+
.
(3)
Przebieg pomiarów i ich opracowanie:
Przygotowanie układu pomiarowego:
1. Włączyć zasilanie kamery i mikroskopu, podłączyć kamerę do komputera i uruchomić
komputer.
2. Uruchomić program Profile (znajdujący się na Pulpicie).
3. Program Profile umożliwia podgląd w czasie rzeczywistym oraz rejestrację rozkładu
natężenia światła w obrazie mikroskopowym zarówno w przekroju poziomym jak i
pionowym.
4. Pokrętłem zmiany powiększenia ustawić maksymalne powiększenie mikroskopu i włączyć
oświetlenie dolne mikroskopu (pomiary będą wykonywane w świetle odbitym).
Skalowanie układu:
1. Na stoliku pomiarowym umieścić skalę w oprawie i znaleźć jej ostry obraz (wartość działki
wynosi 0,1mm)
2. Klikając ikonkę „Preview” wykonać zdjęcie obrazu.
3. Zaznaczyć obszar do analizy, z możliwie największą ilością podziałek oraz klikając ikonkę
„Save profile” zapisać rozkład natężenia w obrazie.
4. Zapisany wynik gotowy jest do dalszej obróbki np. w programie Excel.
5. Z otrzymanego wykresu zlokalizować wszystkie minima, które będą odpowiadały kolejnym
podziałkom na skali.
6. Wykonać wykres zależności położenia kolejnych działek na skali od położenia minimów
natężenia i przy pomocy regresji liniowej wyznaczyć zależność pomiędzy milimetrami i
pikselami (współczynnik kierunkowy prostej to szukany przelicznik).
Pomiar średnic otworów i szerokości szczelin:
1. Na stoliku pomiarowym umieścić otwór kołowy (używany w ćwiczeniu nr 5) i zaznaczyć
odpowiedni obszar do analizy i zarejestrować rozkład natężenia. Pomiary powtórzyć dla
pionowego rozkładu natężenia (w menu „Options”, jest możliwość zmiany kierunku
skanowania).
2. Pomiary przeprowadzić dla wszystkich dostępnych otworów i dla kilku szerokości szczelin.
3. Otrzymane wyniki porównać z danymi podanymi przez producenta (dla otworów) oraz z
odczytami na śrubie mikrometrycznej (dla szczeliny).
Pomiar elementów gwintu:
1. Na stoliku pomiarowym umieścić badany gwint. Zaobserwować jaki to rodzaj gwintu.
2. Zmierzyć średnicę zewnętrzną i wewnętrzną gwintu, co najmniej w 6 różnych miejscach.
3. Zmierzyć skok gwintu dla wszystkich widocznych zwojów. Pomiar przeprowadzić również
po drugiej stronie profilu gwintu.
4. Zmierzyć kąt profilu gwintu (punkt 3). Pomiar przeprowadzić dla trzech różnych zwojów.
Pomiar promienia krzywizny łuku:
1. Na stoliku pomiarowym umieścić otwór kołowy (o największej średnicy).
2. Zmierzyć promień krzywizny łuku według punktu 3.
3. Pomiar powtórzyć dla otworu obróconego o 90
°.
Uwaga:
Należy pamiętać, że w przypadku zmiany powiększenia mikroskopu całą procedurę
skalowania kamery należy przeprowadzić jeszcze raz z uwagi na fakt, iż przelicznik ilości
pikseli przypadających na 1 mm jest inny dla każdego z możliwych powiększeń.
LITERATURA
[1] F. Ratajczyk; „Instrumenty optyczne”, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2002.