Hogyan működik a Fizeau és fehérfényű interferometria a felületi topográfia mérésében?

A felületi topográfia meghatározása interferometriai módszerekkel különösen fontos a precíziós mérnöki és tudományos alkalmazásokban. Az interferogramok kiértékelése során, mint például egy 0,55 µm mély barázda esetén, a hullámhossz (λ = 0,633 µm) és a mért interferenciakép elemzése kulcsfontosságú a pontos magasságtérkép előállításához. Az interferogram képei alapján meghatározható a fázis, majd annak kicsomagolásával és kiegyenlítésével, a mérések geometriai torzításai minimalizálhatók, és az objektum topográfiája relatív módon leképezhető.

A fehérfényű interferometria a korábbi monokromatikus módszerek korlátait próbálja áthidalni. Itt a széles spektrumú fényforrás lehetővé teszi az abszolút topográfia meghatározását a fáziskicsomagolás szükségessége nélkül, mivel a mérésekhez a hullámhossz helyett a valódi elmozdulás ΔL meghatározása szükséges. Ez megköveteli a mérendő objektum precíz mozgatását, miközben az elmozdulás különféle érzékelőkkel, például kapacitív vagy lézer interferométerrel mérhető. A mérési konfiguráció jellemzően Michelson-interferométer, amelyben az objektum elmozdulása alatt a detektált interferencia intenzitás maximalizálódik azon a ponton, ahol a pálya hossz különbség ΔL nullává válik. Az így rögzített intenzitásfüggvényeket correlogrammoknak nevezzük, és ezek alapján vagy az intenzitás burkológörbéjének maximumát, vagy a fázis null-crossing pontját keresve pontos topográfiai adatokat kapunk.

A felsorolt módszerek alkalmazása során fontos megérteni, hogy a mérési pontosság, a referenciafelület tulajdonságai és a környezeti tényezők, mint a levegő turbulenciája, jelentős hatással vannak az eredményekre. A referenciafelület tükrözőképessége optimális kell, hogy legyen: nem túl magas, hogy elkerüljük a többszörös visszaverődéseket, és nem túl alacsony, hogy biztosítsa a megfelelő interferencia kontrasztot. Emellett az elmozdulásmérés pontossága kritikus, különösen fehérfényű interferometria esetén, ahol az abszolút pozíció meghatározása nélkülözhetetlen.

A felületi mérés során a feldolgozó algoritmusok és az alkalmazott fázis kicsomagoló eljárások minősége is jelentős mértékben befolyásolják az eredmény pontosságát és megbízhatóságát. Az egyes gyártók által használt módszerek, például a fáziskeresés vagy a burkológörbe-illesztés, eltérő eredményekhez vezethetnek, ezért a mérési körülményeket és az adott alkalmazást mindig figyelembe kell venni a megfelelő módszer kiválasztásánál.

Fontos a mérési környezet stabilizálása is, mivel a levegőben bekövetkező turbulencia és hőmérséklet-ingadozások jelentősen torzíthatják az interferenciaképet, különösen hosszabb optikai utak esetén. Ezért a nagy pontosságú mérési rendszereket gyakran zárt, légkondicionált kamrákban vagy vákuumban üzemeltetik.

Milyen elven működnek a mechanikus és elektronikus elmozdulásmérők?

A karjelző alapelve egy fogasléccel ellátott mérőcsap, amely egy fogaskereket hajt meg (5.2a ábra). Az így létrejövő forgás további fogaskerekek segítségével felerősödik, amíg egy tárcsa meghajtására alkalmas lesz. A tárcsa általában milliméterenként egy teljes fordulatot tesz meg, finoman 0,01 mm-es beosztással. Nagyobb tartomány esetén egy kisebb tárcsa mutatja a milliméterek számát. A mérési tartomány rendszerint 10 mm körüli. A fogaskerekek hézagmentességét egy spirálrugó biztosítja, amely a fogaskerekeket mindig az egyik oldalra nyomja. Ennek ellenére a súrlódásból eredő mérőerő eltér az előre és hátra mozgásnál, így hiszterézis léphet fel. A karjelzők mérési bizonytalansága körülbelül 0,01 mm nagyságrendű. A tárcsás indikátor más mechanizmust használ a fogasléc helyett. Ebben az esetben a mérőcsap a kar rövid végéhez nyomódik (5.2b ábra). A kar hosszú vége fogazott, amely fogaskerekek láncolatán keresztül egy mutatót hajt meg. A tárcsás indikátor mérési tartománya általában kicsi, jellemzően 0,1 mm, felbontása 0,001 mm. Alkalmazása főként pontos, kis tartományú összehasonlító mérésekhez ideális. Az analóg karjelzőkhöz hasonlóan itt is megjelenik a súrlódásból adódó hiszterézis.

A változó ellenálláson alapuló elmozdulásmérők az ellenállás és a huzal hossza közötti összefüggésre építenek. Az ellenállás $R = \rho \cdot \frac{l}{A}$ képlettel jellemezhető, ahol $l$ a huzal hossza, $\rho$ az anyag fajlagos ellenállása, $A$ pedig a keresztmetszeti terület. Az ilyen mérőkben egy huzal több menetben van elosztva a $l$ hossz mentén, és a mérőcsap helyzetétől függően a huzal egy bizonyos részét hidalja át, így a pozíciót feszültséggé alakítja.

A kapacitív érzékelők az elektromos kapacitás változásán alapulnak, mely a kondenzátorlemezek távolságának, felületének vagy az elválasztó közeg permittivitásának változására reagál. Egy síkkondenzátor kapacitása $C = \varepsilon \varepsilon_0 \frac{A}{d}$ képlettel számítható, ahol $A$ a lemezek közös felülete, $d$ a távolságuk, $\varepsilon_0$ a vákuum permittivitása, $\varepsilon$ pedig az adott közeg relatív permittivitása. Az elmozdulásmérő ilyen elvű változatában a kondenzátor kapacitásának változása lineárisan vagy nemlineárisan alakítja a mért jelet.

A mechanikus elmozdulásmérők működésében a pontosság és a mérési tartomány korlátozott a súrlódás, játék és hiszterézis miatt, míg az elektronikus érzékelők — LVDT és kapacitív mérők — nagyobb felbontást és érzékenységet tesznek lehetővé, ugyanakkor az elektronikát és kalibrációt is igénylik. A mérések pontosságának megértése szempontjából fontos a mérőerő, az érzékelő mechanikai kialakítása, valamint a használt elektronikák hatásainak ismerete. A fizikai jel és az elektromos jel közötti átalakítás módja alapvetően meghatározza az adott mérőrendszer alkalmazhatóságát, pontosságát és megbízhatóságát.

A mérőrendszerek választásánál figyelembe kell venni a mérési tartományt, a kívánt felbontást, a környezeti hatásokat, a mérést végző személy vagy rendszer szükségleteit, valamint az ismételhetőséget. Az analóg eszközök helyett az LVDT és hasonló elektronikus megoldások előnye, hogy nagyobb pontosság és kisebb mérési bizonytalanság érhető el, valamint az adatgyűjtés és feldolgozás automatizálható, ami különösen fontos a modern, precíziós gyártásban és kutatásban.

Milyen szerepet töltenek be a kézi mérőeszközök a geometriai termékspecifikációkban és a méretmérésekben?

A digitális tolómérők egyik jelentős előnye, hogy bármely ponton nullázhatók, így egyszerűsítik az összehasonlító méréseket, és csökkentik az olvasási hibák számát. Ugyanakkor az ilyen eszközök mérési pontosságát befolyásolhatják a mérőrendszer kialakítása, a mérőerő, a mérőpofák és a tárgy közötti helytelen érintkezés, illetve a mérőeszköz ferde állása. A hőmérséklet hatása ennél az eszköznél kevésbé jelentős, de a rendszeres nullaellenőrzés elengedhetetlen a pontos méréshez. Az ISO 13385-1:2019 szabványban megadott maximális megengedett hibák (MPE) a mérőeszköz hosszméretétől és a felbontástól függően 20 mikrométertől 150 mikrométerig terjednek, a külső méretek mérésére vonatkozóan.

A mikrométer esetében a mérőfelületek keményfémből készülnek, hogy ellenálljanak a kopásnak, továbbá a mérőerő korlátozására általában egy csúszókuplung szolgál, hogy megakadályozza a túlzott erő alkalmazását, amely torzíthatja a mérési eredményeket. Az egyik legjelentősebb hibaforrás a hőmérsékletváltozás, amely a mérőeszköz anyagának hőtágulása miatt befolyásolhatja a mérést, ezért a környezeti hőmérséklet stabilitása kiemelten fontos a magas pontosságú mérések során.

A geometriai termékspecifikációk (GPS) keretében a pontos méretellenőrzés nélkülözhetetlen, melyet a szabványosított mérőeszközök biztosítanak. Az olyan nemzetközi szabványok, mint az ISO 3650 (mérőékek), ISO 5436-1 (felületi textúra profilmérése), valamint az ISO 25178 szabványcsalád (areális felületmérés és kalibrálás) szigorú követelményeket támasztanak a mérőeszközök gyártására, ellenőrzésére és használatára, hogy a mérések összehasonlíthatók és megbízhatóak legyenek. Ezáltal a gyártási folyamatokban és a minőségellenőrzésben alkalmazott mérőeszközök megfelelő kalibrációja és rendszeres karbantartása kulcsfontosságú a termékek geometriai és méretbeli megfelelőségének biztosításához.

Fontos megérteni, hogy a kézi mérőeszközök pontossága és megbízhatósága nagymértékben függ a mérési technikától és a mérő személy szakértelmétől is. A mérőeszközök helyes használata, a megfelelő környezeti feltételek biztosítása és az eszközök rendszeres ellenőrzése nélkülözhetetlen az ismételhető és pontos mérési eredmények eléréséhez. Ezen túlmenően a hőmérséklet, a mérőerő, a mérőpofák helyes érintkezése és az esetleges elmozdulások figyelembevétele nélkül a legprecízebb mérőeszközök sem garantálják a kívánt pontosságot. Ezért a mérési folyamat minden lépését gondosan kell tervezni és végrehajtani a legjobb eredmény érdekében.

Milyen módon befolyásolja a mérési pontosságot és a hibahatárokat a különböző mérési rendszerek alkalmazása?

A síkosság és egyéb geometriai jellemzők mérésére alkalmazott elektronikus szintezők és más eszközök különböző szempontból mérik a felületet, és az eszközök pontossága, valamint a mérési technikák különbségei befolyásolják az eredmények minőségét. Egy ilyen mérési eljárás során például egy 1200 mm hosszúságú gépvezetési rendszert mérnek, 100 mm-es lépésekben. A mért szögeket egy táblázatban rögzítik, és a különböző referenciaértékekhez viszonyítva többféle grafikonon is ábrázolják a mérési adatokat. A különböző referenciák alkalmazása segít megérteni, hogyan változnak a mért szögeltérések a felület egyes pontjai között.

A síkosság eltéréseinek kiszámítása a mérési eredmények egyik kulcsmomentuma. A mérési adatok alapján három különböző módszerrel is meghatározhatjuk a "csúcs-völgy" értéket, amely a legnagyobb eltérést mutatja. Ha az első és utolsó mérési pontot referencia pontokként alkalmazzuk, akkor a mérési hibák is csökkenthetők. A pontos hiba meghatározásához a mérési pontok közötti legnagyobb eltérés is figyelembe kell, hogy legyen véve. Ha például a mérés ugyanazzal az eszközzel történik, de a lépésközt 50 mm-re csökkentjük, a profilra vonatkozó bizonytalanság növekedhet, és ez jelentősen befolyásolhatja a mérés minőségét.

A kerekesség méréséhez használt rendszerek – mint a "flick standard" – egy cilindrikus szabványos mérőeszközt alkalmaznak, amely segít meghatározni a körkörösségi hibákat egy szabványosított keresztmetszet alapján. A kerekességi eltérések mérésénél a mérési diagram három fő típusa különíthető el, melyek különböző referencia körökhöz tartoznak. Az elméleti számítások, mint például az α szög meghatározása, segítenek abban, hogy az adott kerekesség értéket a megfelelő pontossággal lehessen meghatározni. A különböző mérési technikák alkalmazása mellett mindig fontos a mérések különböző referencia körökhöz való viszonyításának megfelelő értelmezése is.

Fontos figyelembe venni, hogy a mérési hibák és azok forrásai számos tényezőtől függnek, beleértve a mérési eszközök kalibrálásának pontosságát, a mérési környezetet, az alkalmazott technikát és a mért paraméterek típusát. A pontos mérések eléréséhez nem elegendő csupán a mérőeszközök helyes használata, hanem alapvető, hogy megfelelően kezeljük a mérési adatok elemzését és azok hibahatárait.

A mérések pontosságának növeléséhez szükséges, hogy a mérési eszközöket megfelelően karbantartsák, és a mérési környezetet is folyamatosan figyelemmel kísérjék. A hőmérséklet, a páratartalom és a mechanikai rezgések mind hatással vannak a mérések eredményeire, ezért minden egyes mérés előtt biztosítani kell a megfelelő környezeti feltételeket. A rendszeres kalibrálás és a hibák tudatos kezelése nélkül nem érhető el megfelelő mérési pontosság.

Hogyan befolyásolják a mérési hibákat a koordináta mérőgépek különböző szondázó rendszerei?

A koordináta mérőgépek (CMM-ek) különböző szondázó rendszereinek és mérési módszereinek működését és hibáit a szabványok részletesen szabályozzák. A pontos mérés érdekében alapvető a szondázó rendszerek különböző típusainak és hibáinak megértése, különös figyelmet kell fordítani a szkennelő és érintkező rendszerek alkalmazására, amelyek alapvetően eltérő mérési eredményeket adhatnak a különböző körülmények között. Az ISO 10360 szabványok sorozata, amely számos mérési eljárást és eszközt tartalmaz, segít a mérési hibák pontos meghatározásában és javításában.

Az ISO 10360-5:2020 szabvány például a különböző szondázó rendszerek (például a szkennelő és érintkező szondák) mérési hibáinak meghatározására vonatkozik, és előírja, hogy a teszteléshez gyakran egy referencia gömb mérésére van szükség. A mérési hiba meghatározása tehát nagy mértékben függ a használt szondázó rendszertől, amelyeket különböző típusú szabványokkal és tesztekkel kell validálni. A szkennelő szondák alkalmazása esetén a tesztelés során alkalmazott referencia gömb pontossága alapvetően meghatározza a mérési eredményeket, és minden egyes szondázó rendszerhez más-más mérési módszerek szükségesek.

A különböző típusú CMM-ek, például a képfeldolgozó szondával rendelkező rendszerek (ISO 10360-7:2011) vagy optikai távolságmérővel rendelkező rendszerek (ISO 10360-8:2013), mind más-más kihívásokat támasztanak a mérési hibák meghatározásában. Az optikai mérőrendszerek különböznek a mechanikai szondáktól abban, hogy nem közvetlen érintkezés szükséges a mérendő objektummal, így más típusú mérési hibák léphetnek fel, mint a hagyományos érintkező szondás rendszerekben. A rendszeres hibák kiértékeléséhez szükséges egy referencia gömb, amelyet minden esetben más-más mérési szögben kell ellenőrizni a mérési hiba pontos meghatározásához.

A különböző mérési rendszerek alkalmazása mellett fontos a mérési környezet figyelembevétele is. Az olyan tényezők, mint a hőmérsékletváltozások, a felület síkossága és a mérőeszközök mechanikai stabilitása alapvetően befolyásolják a mérési hibákat. Például a hőmérsékletváltozások hatására a mérőeszközök és az objektumok mérete is változhat, ami jelentős hatással van a mérés pontosságára. Az ISO 10360-2:2009 szabványban előírt hosszmérés például a hőmérséklet hatásainak figyelembevételével kell történjen, hogy a mérési eredmények pontosak legyenek.

A mérési hibák elemzésének másik kulcseleme a mérési szoftverek és referenciaadatok alkalmazása. Az ISO 10360-6:2001 szabvány a mérési szoftverek validálását és a mérési adatbázisok összehasonlítását írja elő, hogy biztosítsa a mérési eredmények megbízhatóságát. A szoftverek segítségével nemcsak az adatokat lehet összevetni a referenciaadatokkal, hanem pontosan nyomon követhetők a mérési hibák is, és kiértékelhetők a mérési rendszerek megbízhatósága is. Az ilyen típusú szoftveres tesztek alapvetően szükségesek minden olyan mérési rendszernél, amely hosszú távú és pontos adatokat kíván biztosítani.

A mérési rendszerek pontos kalibrálása és a tesztelési eljárások figyelembevétele tehát elengedhetetlen ahhoz, hogy a mérési eredmények megfeleljenek a legszigorúbb ipari követelményeknek. A különböző típusú CMM rendszerek mindegyikének megvannak a saját hibaforrásai, amelyeket rendszeres kalibrálással és szoftveres validálással lehet minimalizálni. A mérési környezet, a hőmérséklet, a mechanikai tulajdonságok és az alkalmazott szondázó rendszer mind befolyásolják a mérések pontosságát, így a megfelelő tesztelési és hibakezelési eljárások alkalmazása kulcsfontosságú.

A mérési hibák pontos meghatározása és a hibák kiküszöbölése érdekében az ipari gyakorlatban fontos a folyamatos kalibrációs eljárások alkalmazása, és a különböző mérési környezetek hatásainak figyelembevétele. A szondázó rendszerek és a mérési módszerek kombinálásával és a különböző szabványok alkalmazásával elérhetjük a szükséges mérési pontosságot, amely elengedhetetlen a minőségellenőrzés és a gyártási folyamatok sikeres végrehajtása érdekében.