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.