Fizeau-interferometern, som beskrivs i sektion 4.5.2, är ett effektivt verktyg för ytinterferometri på större, nominalt plana ytor (50–1000 mm i diameter). Den är särskilt användbar när interferometerns vägsträckor kan orsaka brus och fluktuationer, vilket är ett problem vid användning av mer komplexa interferometriska metoder. Denna konfiguration har fördelen att optiska vägar är kortare, vilket minimerar påverkan från luftturbulens som kan ställa till med problem i mer avancerade system.

Den optiska konfigurationen för en typisk Fizeau-interferometer, som illustreras i figur 4.10, involverar en kollimerad ljusstråle som passerar genom en halvtransparent referensspegel. Spegelns framsida fungerar som referens, medan baksidan kan ha en antireflekterande beläggning eller en liten kil som hindrar reflektioner från baksidan från att störa mätningen. Detta gör det möjligt att mäta objektets yta i förhållande till en exakt referensyta. När ljuset reflekteras från objektet och interfererar med referensytan, bildas interferensfringor som kan observeras direkt för en semikvantitativ utvärdering av objektets yta. Genom att justera objektet i några steg kan den fullständiga ytopografi-mätningen erhållas med hjälp av ekvationerna (4.26) och (4.27).

En viktig skillnad i Fizeau-konfigurationen, jämfört med andra interferometriska metoder, är att topografierna för både referensytan och det mätta objektet adderas i beräkningarna (jämför ekvation (4.29) där ytorna adderas i stället för att subtraheras som i ekvation (4.25)). För optimal synlighet justeras reflektansen av både objektet och referensytan, men det är viktigt att reflektansen för referensytan inte är för hög för att undvika multipla reflektioner som kan förvränga resultaten.

För att få en fullständig bild av objektets yta kan interferensfringor användas tillsammans med mer avancerade beräkningar, såsom de som beskrivs i ekvationerna för fasutvärdering och nivåjustering. Dessa beräkningar tillåter att ytan avläses i mer detaljerad grad, vilket gör att även mer komplexa ytor som sfärer eller paraboler kan mätas med denna metod.

Det finns dock begränsningar med denna typ av interferometri. Ett av problemen är att Fizeau-konfigurationen inte är optimal när det gäller att mäta objekt med mer komplexa ytor, såsom de med steg eller diskontinuiteter. Därför är det ofta bättre att använda vitljusinterferometri i sådana fall, vilket vi ser i sektion 4.5.3 där Twyman-Green interferometer med bredbandigt ljus beskrivs.

Vid användning av vitljusinterferometri, som illustreras i figur 4.11, krävs inte samma typ av "avtågnings"-process som vid användning av monokromatiskt ljus, vilket gör metoden mer flexibel. Detta beror på att vitljusets spektrum gör det möjligt att bestämma den absoluta ytopografin utan att behöva hantera problem med fasavvikelser som kan uppstå vid mätning av objekt med diskontinuiteter. För att kompensera för att ljusvåglängden inte längre kan användas som en exakt mätreferens, används istället en separat teknik för att mäta displaceringen av objektet, såsom en LVDT eller en kapacitiv förskjutningssensor.

Genom att displacera objektet i små steg och mäta dess förflyttning, kan en fördelning av intensiteten registreras, som vid noggrant analys kan användas för att beräkna topografin utan behov av att "avslöja" fasen. Detta gör det möjligt att direkt mäta höjder med hög precision, vilket gör det till en användbar metod för ytanalys på ett bredare spektrum av objekt.

För att finjustera resultaten från vitljusinterferometri används ofta korrelogrammetoder, där objektets yta korreleras mot ljusets modulerade intensitetsmönster. Genom att analysera denna intensitet kan den relativa förskjutningen bestämmas, vilket ger en noggrann höjdavläsning av ytan. Dessa metoder är användbara när det gäller att skapa höjdkartor med nanometernoggrannhet, vilket är viktigt för att kunna genomföra mycket precisa ytberäkningar.

Vid tillämpning av dessa metoder är det viktigt att förstå skillnaderna i hur ljusets spektrum och interferensfringor påverkar resultaten. Användningen av bredbandsljus ger ökad flexibilitet, men ställer också krav på noggrann beräkning av förskjutningen mellan korrelogrammen för att uppnå bästa precision.

Hur fungerar mätverktyg inom industriell tillverkning?

Vid tillverkning är noggrannhet och precision av yttersta vikt. Mätning är en av de mest grundläggande processerna för att säkerställa att komponenterna har rätt dimensioner och kvalitetsstandarder. Detta innebär användning av en rad mätverktyg, vars noggrannhet är beroende av både mätteknik och enhetens konstruktion. Verktyg som skjutmått, mikrometer, och kalibreringsblock används för att säkerställa att de dimensionella kraven för varje produkt är uppfyllda. Här nedan beskrivs några av de mest använda mätverktygen och deras funktioner.

Skjutmått är ett av de mest kända mätverktygen som används i verkstäder och fabriksmiljöer. Det finns flera varianter, där den vanligaste är Vernierskalan. Skjutmåttet kan användas för att mäta både yttre och inre dimensioner samt djup och höjd på objekt. Denna typ av mätverktyg fungerar genom att placera objektet mellan mätkäftarna, och avläsningen sker genom att mäta den relativa positionen på den rörliga delen i förhållande till den fasta. I vissa fall används elektroniska skjutmått, där en kapacitiv sensor överför mätdata till en LCD-skärm, vilket gör avläsningen snabbare och mer exakt. För att minimera mätfel måste nollpunkten på skjutmåttet kontrolleras regelbundet, särskilt eftersom temperaturförändringar kan påverka noggrannheten.

Mikrometern är ett annat handhållet mätinstrument som används för att mäta mer exakt än skjutmåttet. Mikrometrar används för mätning av mycket små dimensioner och är särskilt vanliga vid mätning av objekt som har små toleranser, till exempel skruvar och precisionskomponenter. Mikrometern består av en fast och en justerbar mätyta som förs samman genom att skruva på en precisionsskruv. För att förhindra att för mycket kraft appliceras på objektet, vilket kan ge felaktiga resultat, är mikrometern ofta utrustad med en glidskopp som gör att instrumentet slutar mäta när det når ett visst tryck.

För ännu mer specifika mätningar används andra typer av mätinstrument, som till exempel kalibreringsblock för att kontrollera precisionen hos mätmaskiner. ISO-standarder, som ISO 3650 och ISO 5436-1, säkerställer att materialmått och yttre mått är korrekta och följer internationella riktlinjer. Det finns även standarder för att kalibrera och verifiera mätinstrument för yttopografi, som definieras i dokument som ISO 25178-700, som är särskilt viktiga för instrument som mäter ytstrukturer och mikroskopiska mönster på ytor.

För att säkerställa att mätdata är tillförlitliga är det också viktigt att känna till potentiella felkällor. Bortsett från tekniska fel som kan uppstå genom slitage, missjustering eller felaktig användning av mätverktyget, kan externa faktorer som temperaturförändringar ha en betydande inverkan. Materialens termiska expansion kan exempelvis leda till att dimensioner förändras under mätningen, vilket gör att noggranna temperaturkontroller är nödvändiga.

För att minska sådana fel kallas det ofta för "Abbe-principen", där instrumentets mätningssystem är designat för att minimera effekterna av sådana variabler. Denna princip tillämpas särskilt vid djupmätningar med skjutmått där mätningens nollpunkt måste vara strikt kontrollerad. Dessutom måste alla mätredskap hållas i god kondition och kalibreras regelbundet för att undvika fel i mätresultaten.

För att kunna tillämpa de rätta teknikerna för mätning är det också avgörande att förstå standarder för verktygens noggrannhet. ISO 13385-1:2019 anger exempelvis de tillåtna måttenheterna för skjutmått och mikrometrar beroende på storlek och mätningens precision. Dessa standarder hjälper användaren att veta när och hur ofta ett mätinstrument behöver kalibreras, för att garantera att det fortsätter att uppfylla de högsta tillverkningskraven.

Det är också viktigt att förstå att även om vissa verktyg är bättre lämpade för specifika uppgifter, kan många av de handhållna mätverktygen som skjutmått och mikrometrar användas för flera olika typer av mätningar. Deras användbarhet gör dem till de mest populära och mångsidiga verktygen i industrin.

Hur man mäter rakhet och minimerar avvikelser i profil

I mätteknik är rakhet en grundläggande geometrisk parameter som ofta används för att beskriva precisionen hos ytor, linjer eller konturer. En av de mest använda metoderna för att beräkna rakhet är att använda den så kallade minimum-z-metoden, där målet är att hitta en linje som minimerar avståndet mellan alla punkter i en given profil. Denna metod kräver att man söker efter en kombination av punkter som ger den lägsta möjliga summan av avvikelser, vilket innebär att man först identifierar de två lägsta punkterna, kopplar samman dessa och kontrollerar att alla andra punkter ligger högre än dessa. Därefter kan man försöka hitta en annan linje, som går genom de två högsta punkterna, för att sedan upprepa processen tills en optimal lösning hittas. Detta tillvägagångssätt kallas en kombinatorisk metod och är särskilt användbart när det gäller att bestämma vilken linje som bäst representerar en profil.

När man har funnit det optimala värdet för β kan man justera α för att säkerställa att den linje som beskriver profilens rakhet går genom de lägsta eller högsta punkterna, eller till och med någonstans däremellan. Detta relaterar till definitionen av en rak linje: "den minsta avståndet mellan två parallella linjer mellan vilka alla punkter finns". Det är också viktigt att förstå att rakhet inte enbart handlar om att hitta en linje mellan de extrema punkterna i en profil, utan också om att förstå hur denna linje förhåller sig till de underliggande geometriska egenskaperna hos den mätta ytan.

Rakhet i relation till den raka linjen mellan den första och sista punkten på profilen är en annan aspekt som kan vara användbar, även om den inte är direkt angiven i de relevanta ISO-standarderna (ISO 12780-1:2011 och ISO 12780-2:2011). Denna metod kan vara användbar för att beräkna en minst kvadrats linje (least-squares line) eller en minimum-z linje, som kan vara en grund för osäkerhetsbedömningar och precisionsmätningar.

När rakhetsprofilen mäts i en quasi-kontinuerlig, skannande metod kan det vara nödvändigt att begränsa bandbredden, det vill säga det område av profilens våglängder som tas med i beräkningen. Enligt ISO 12780-2:2011 finns en tabell med föreslagna gränsvärden för våglängder (S-nesting index) som kan användas för att filtrera rakhetsprofiler. Det är också viktigt att vara medveten om att sådana profiler kan mätas med olika typer av mätinstrument, inklusive topografi-, form- och konturmätare samt koordinatmätmaskiner (CMM). Även interferometriska ytmätningar kan användas för att extrahera rakhetsprofiler.

En annan vanlig metod för att mäta rakhet är att använda optiska instrument som ett alignments-teleskop. Detta instrument är särskilt användbart för att mäta rakhetsavvikelser över långa avstånd i två riktningar, där mätningar görs genom att fokusera på ett mål och sedan justera inställningarna för att mäta eventuella avvikelser. För att göra detta krävs att man justerar ljusstrålen med hjälp av glasplattor som fungerar som optiska mikrometrar. Detta gör det möjligt att mäta förflyttningar i det optiska systemet, vilket ger en hög noggrannhet för rakhetsmätningarna.

I mer avancerade system används ofta laserinterferometrar för att mäta rakhetsavvikelser med en metod som involverar så kallad rakhetsoptik. Denna metod använder en Wollaston-prisma som delar upp laserstrålar i två polariserade strålar som reflekteras vid speglar och kombineras för att ge mätresultat. Denna metod erbjuder mycket hög känslighet för vertikala förflyttningar, vilket gör den till en pålitlig teknik för att mäta rakhetsavvikelser, särskilt i maskiner och mätutrustning.

En annan viktig metod för att mäta små vinklar och lutningar är att använda elektroniska nivåer. Dessa nivåer använder principer som induktans eller kapacitans för att noggrant mäta lutningarna i förhållande till den horisontella planet. De används ofta för att mäta plana ytor, rakhet, rotationer på mätmaskiner och till och med för att kontrollera kvadraturen hos guider i maskiner. För att eliminera påverkan från externa faktorer, som temperatur och vibrationer, används ofta två nivåer i mätningar, där en fungerar som referens.

Vid användning av elektroniska nivåer används ofta kapacitiva system, som baseras på förändringar i kapacitans mellan elektroder i ett kondensatorhus. När nivån lutar, förändras avståndet mellan elektroderna, vilket ger en förändring i kapacitans och gör det möjligt att noggrant mäta lutningarna. Denna metod används för att göra exakta mätningar av lutningar i olika tekniska tillämpningar, inklusive produktion och mätteknik.

För att förstå och tolka dessa mätningar är det avgörande att ta hänsyn till alla faktorer som kan påverka resultaten, såsom temperaturvariationer, instrumentens kalibrering, och miljöförhållanden som vibrationer eller luftströmmar. Oavsett vilken metod som används, är det centralt att varje system är noggrant kalibrerat och att mätningar utförs under kontrollerade förhållanden för att säkerställa tillförlitliga och exakta resultat.

Hur fungerar dimensionell mätning med hjälp av fransprojektion och röntgen CT?

Fransprojektion är en metod som används för att exakt mäta ytor genom att projicera linjära mönster av ljus (fransar) på en yta och sedan analysera hur dessa mönster förändras när de interagerar med objektets form. I denna metod flyttas mönstren i förutbestämda steg, till exempel i fyra steg som beskrivs i avsnitt 7.9.3.5. där linjerna förskjuts med en kvarts linjeintervall i varje steg. För varje pixel på en CCD-kamera kan de fyra intensiteterna, I(x, y), representera ljusmätningarna för det specifika objektet. Den effektiva moduleringsintensiteten (I) för varje (x, y) punkt kan beräknas enligt formeln:

I(x,y)=(I(x,y)−I(x,y))2+(I(x,y)−I(x,y)MOD D B A)I(x, y) = \left( I(x, y) - I(x, y) \right)^2 + \left( I(x, y) - I(x, y)_{\text{MOD D B A}} \right)

Den fysiska fasen på objektet, som detekteras av kameran, kan därefter beräknas med en liknande formel som för interferometri, och den fasen kan jämföras med referensplanet för att få fram skillnader i höjd och form på objektet:

ϕ(x,y)=tan⁡−1(I(x,y)−I(x,y)refI(x,y)−I(x,y)A C)\phi(x, y) = \tan^{ -1} \left( \frac{I(x, y) - I(x, y)_{\text{ref}}}{I(x, y) - I(x, y)_{\text{A C}}} \right)

Genom att jämföra fasen på objektet med fasen på referensplanet kan man bestämma höjdskillnader på mikrometrisk nivå. Den z-höjd som motsvarar en viss punkt P på objektets yta kan beräknas med hjälp av geometri och liknande trianglar som relaterar den referensfasen till objektets faktiska dimensioner. Resultatet ges i form av:

Lz(x,y)=cΔϕref(x,y)2π⋅p⋅dL_z(x, y) = \frac{c \Delta \phi_{\text{ref}}(x, y)}{2\pi \cdot p \cdot d}

Här är p linjeintervallens pitch, och d är avståndet mellan kamerans optiska centrum och projektorns position.

Trots att grundprincipen bakom fransprojektion verkar enkel, finns det flera praktiska problem som måste hanteras för att uppnå hög noggrannhet i mätningarna. Fasen måste till exempel ”avvridas”, vilket innebär att de stegvisa fasförändringarna måste korrigeras för att få en kontinuerlig mätning av objektets yta. Dessutom måste både projektorn och kameran vara noggrant kalibrerade för att säkerställa att de matchar i förhållande till både förstoring och ytkartläggning.

För att få absolut fasinformation är det också vanligt att använda svartvita linjer som ger binär kodning av fasen, vilket sedan kombineras med de stegvisa faserna som beskrivs ovan. För objekt som har högreflekterande ytor, som metall, kan det vara nödvändigt att spraya en diffus reflekterande beläggning för att säkerställa en korrekt ljusreflektion och mätning.

En annan teknisk aspekt som kan påverka mätningarna är om objektet har egenskaper som gör att vissa delar av objektet skuggas. Om bara en kamera används för att fånga hela objektet, kan vissa delar vara otillgängliga för kameran. För att lösa detta används ofta två kameror i en fransprojektionsteknik, vilket ger en mer komplett bild av objektet. För att mäta hela objektet i en 3D-form måste objektet ofta roteras på ett roterande bord, och flera exponeringar görs i olika vinklar. Dessa kan sedan sys ihop till en komplett 3D-modell av objektet med hjälp av bildbehandlingsprogramvara och vanliga markörer som kan känna igen geometriska förhållanden mellan bordet och objektet.

Mätningarna från dessa system kan utföra upp till miljontals mätpunkter på bara några sekunder, vilket gör dem mycket snabbare än traditionella mekaniska koordinatmåttmaskiner (CMM). Osäkerheten i mätningarna kan vara så låg som några mikrometer, men det finns alltid risk för uteliggare eller delar av objektet som inte mäts korrekt.

En annan mycket relevant metod inom dimensionell mätning är röntgen CT (XCT), som revolutionerat inspektionen av inre och yttre geometri för komponenter som inte kan delas upp utan att förstöras. Denna metod, som har funnits på marknaden sedan 2005, tillåter mätning av både inre och yttre geometri på arbetsstycken utan att de skadas. XCT-tekniken används ofta för att inspektera komponenter som har svåråtkomliga inre funktioner, exempelvis delar som tillverkats genom additiv tillverkning, eller flerkomponentsmaterial som plastdelar med metallinsatser.

Röntgen CT-systemet består av en röntgenkälla, ett roterande bord för att hålla objektet på plats, och en 2D-detektorarray som liknar en CCD-kamera. Detektorerna är känsliga för röntgenstrålning och detekterar intensiteten av de röntgenstrålar som passerar genom objektet. Genom att rotera objektet i olika positioner och samla in data från olika vinklar kan en 3D-modell (voxelmodell) skapas. Varje voxel representerar ett litet volymsegment av objektet och kan innehålla information om materialkomposition och densitet.

XCT-metoden ger en unik möjlighet att utföra kvalitetskontroll på objekt med inre funktioner eller komponenter med komplex geometri. Efter insamling av röntgendata krävs omfattande postprocessering för att segmentera objektet och beräkna dess exakta dimensioner och kvalitet. Denna metod kan vara mycket fördelaktig för inspektion av delar som inte kan mätas med traditionella mekaniska metoder, som komplexa inre strukturer i additivt tillverkade komponenter.

Kan primordiala svarta hål förklara mörk materia?
Hur kan vi effektivt använda fotokatalys och radikalreaktioner för selektiv funktionalisering av pyridiner?
Hur man bedömer en ny anställd: Viktiga signaler att uppmärksamma
Hur temperatur påverkar avtryckarens tryck och skytteutrustningens funktion i kalla förhållanden