Hur kan indentering påverka mekaniska mätningar?

Vid mekaniska mätningar där en sondering är inblandad, kommer en viss indentering att uppstå som förändrar det uppmätta värdet (Puttock och Thwaite, 1969). Indentering uppstår när två kroppar kommer i kontakt och deformeras. Exempel på detta ses i figur 2.12, där två fall av kroppar i kontakt beskrivs: en kula på en halvinfin plan yta och två kulor i kontakt. Indenteringen, eller deformationen $d$, som visas på vänster sida av figur 2.12, beskrivs av Hertz-ekvationerna:

där $R$ är radien på kulan, $F$ är den applicerade kraften och $E^*$ är den effektiva elasticitetsmodulen som ges av:

där $E_1$ och $E_2$ är de elastiska modulernas för de två kropparna och $\nu_1$ och $\nu_2$ är Poissons' kvoter för de respektive materialen. Värden för dessa kan hittas i tabell 2.2, som ger exempel på olika material som wolframkarbid, stål, aluminium och diamant, med deras respektive Poissons' kvoter och elasticitetsmoduler.

Det är också viktigt att notera att förhållandet mellan radien och den elastiska modulusen är avgörande för att beräkna den totala deformationen i kontaktområdet.

Det är också möjligt att öka indenteringen genom att öka kraften med en faktor på 2,8, eller minska den genom att minska kraften med samma faktor. Detta är särskilt viktigt att beakta vid precisionstekniker där mätkraftens inverkan på resultatet inte alltid är trivial.

För att förstå effekterna av indentering är det användbart att beakta några typiska exempel som är vanliga i praktiken. I många fall tas indenteringen i beaktning genom att instrumentet varierar mätkraften eller justerar för den. Till exempel vid mätning av en referenssfär med en koordinatmätmaskin (CMM) eller vid jämförelse mellan längd på ett stålobjekt och en standardmåttstav. I dessa fall kan mätkraftens påverkan vara försumbar eller kunna kompenseras.

Några exempel:

1. Vid mätning av ytegenskaper på en stålplatta med en diamantspets på 2 µm radie och en mätkraft på 0,75 mN, blir indenteringen endast 0,1 µm.

2. Vid mätning av en referenssfär på en CMM, där en aluminiumsfär (ruby) används med radie på 1 mm och mätkraften är 0,5 N, får man en indentering på 0,2 µm.

3. Vid mätning av ett stålmåttblock med en sferisk prob av wolframkarbid på 3 mm radie, får man en indentering på 0,16 µm, medan indenteringen på ett wolframkarbidmåttblock blir 0,09 µm.

Det är också viktigt att förstå att indentering ofta ses som en konstant mätbias i många tillämpningar. Detta innebär att den relativa effekten av indentering kanske inte alltid påverkar slutresultatet om effekten är konsekvent över hela mätområdet. Till exempel, vid mätningar av rätlinjighet, rundhet eller yttegenskaper, kan effekten av indentering vara försumbart liten.

Indenteringseffekterna är alltså en naturlig del av mekaniska mätningar, och det är avgörande att förstå deras inverkan för att kunna göra rättvisa och noggranna mätningar. Mätkraftens påverkan på objektet och dess deformation kan variera beroende på material, geometri och mätförhållanden. Därför är det viktigt att noggrant beakta hur dessa faktorer samverkar vid precisionstekniker för att säkerställa att mätresultaten är både korrekta och tillförlitliga.

Hur mätklossar definierar längd och exakt kalibrering inom dimensionell metrologi

Mätklossar kalibreras i vertikal position för korta klossar och i horisontell position för långa klossar. Ytornas planhet är så exakt (< 0,1 μm) att mätklossarna kan placeras ovanpå varandra utan att tillföra mycket extra osäkerhet i längden. Denna process kallas "wringing" och innebär att mätytorna stannar ihop genom de ytliga krafterna. På så sätt kan mätklossar staplas och användas för att definiera exakta mått. Detta tillvägagångssätt innebär att man kan koppla en ljusvåg till ett fysiskt objekt, vilket är grunden för interferometri, ett centralt begrepp inom mätningsteknik.

När man staplar mätklossar för att få en specifik längd kan den totala längden beräknas som summan av alla enskilda längder. Osäkerheten för varje mätkloss kan specificeras enligt standarder som ISO 3650:1998, som också ger detaljer om de tillåtna dimensionella och formmässiga avvikelserna. Osäkerheten för en uppsättning mätklossar adderas linjärt, vilket innebär att den totala osäkerheten beror på både varje enskild kloss och den sammansatta uppsättningen.

Mätklossar finns i olika material, där särskilt nötningsbeständighet, korrosionskänslighet och termisk expansion är viktiga egenskaper. Vanliga material inkluderar härdat stål, keramik och hårdmetall. Mätklossar av härdat stål är de mest använda, eftersom de har en termisk expansionskoefficient nära den hos många stålobjekt, vilket gör att temperaturändringar kompenseras naturligt. En nackdel med stålklossarna är att de är känsliga för korrosion och behöver smörjas när de inte används. Keramiska mätklossar, som ofta är gjorda av zirkoniumoxid, är korrosionsfria men har en något lägre termisk expansionskoefficient och kan ta längre tid att stabilisera vid temperaturförändringar. Hårdmetallmätklossar är motståndskraftiga mot repor och har en låg känslighet för korrosion, men de är dyrare och kan inte tillverkas i längder över 100 mm.

Mätklossar delas in i olika klasser enligt strängare eller mindre stränga toleranskrav. K-klassen, som har de strängaste kraven för parallellism, kan kalibreras mest exakt och används som standard i interferometriska mätningar med en typisk osäkerhet på 0,02 μm. Klossar i andra klasser kan kalibreras med något högre osäkerhet i jämförelse med K-klassen. Standarder som ISO 3650:1998 och andra internationella riktlinjer definierar detaljerade krav för mätklossar, inklusive toleranser för sidans kvadratiska noggrannhet och hårdhet.

Mätklossar finns i uppsättningar som sträcker sig från 2 mm eller 3 mm till 100 mm, där varje uppsättning kan användas för att skapa mått i steg om 1 μm. Uppsättningarna kan innehålla ett antal olika mätklossar, till exempel en uppsättning om 46 bitar som innehåller mätklossar från 1 mm till 9 mm, och en annan uppsättning om 87 bitar som sträcker sig från 0,5 mm till 100 mm. För mer komplexa kalibreringar används större uppsättningar som kan innehålla upp till 112 mätklossar.

Det är också viktigt att förstå att den faktiska användningen av mätklossar går bortom bara deras fysiska dimensioner. Temperaturförändringar, hantering och materialens egenskaper påverkar mätningarna, och därför måste dessa faktorer noggrant beaktas vid användning av mätklossar i praktiska tillämpningar.

Hur påverkar interferometri och mätteknik noggrannheten vid kalibrering och mätning av fysiska objekt?

Interferometri, en teknik som bygger på användningen av ljusvågor och deras interferensmönster, är en grundpelare för att uppnå hög noggrannhet vid mätningar av avstånd, längd och andra geometriska egenskaper. Teknologin används brett inom metrologi för att kalibrera mätinstrument och verifiera dimensioner på föremål med extrem precision. Ett av de viktigaste användningsområdena för interferometri är att mäta förskjutningar eller små geometriska förändringar på föremål, särskilt när det gäller system som använder laserinterferometrar eller Michelson-interferometrar.

En grundläggande princip som styr interferometrins funktion är att när två ljusvågor kombineras, kan de skapa ett interferensmönster. Detta mönster används för att bestämma skillnader i avstånd eller för att mäta små förändringar i geometrin av ett objekt. För att uppnå dessa mätningar används metoder som fasförskjutning och koherensavläsning, där systemet noggrant detekterar små variationer i ljusets fas. Med hjälp av interferometri är det möjligt att mäta avstånd med noggrannheter på nanometernivå, vilket är avgörande för högprecisionsindustrin.

För att säkerställa att dessa mätningar är tillförlitliga och konsekventa är det nödvändigt att beakta olika faktorer som kan påverka precisionen. En viktig aspekt inom interferometri är kalibreringen av referensstandarder, som fungerar som en grund för alla efterföljande mätningar. Ett exempel på en sådan standard är linjestandarden, vilken definieras genom ett fast avstånd som kan användas för att jämföra andra mätningar och säkerställa deras korrekthet. För att denna metod ska vara effektiv måste kalibreringen vara noggrant utförd och följa internationellt erkända metrologiska standarder, såsom de som fastställs av ISO och ILAC.

För att förstå den praktiska tillämpningen av interferometri inom metrologi är det avgörande att känna till olika typer av mätinstrument som utnyttjar denna teknik. Exempelvis använder en laserinterferometer laserljus för att mäta små förändringar i avstånd mellan föremål eller ytor. På samma sätt används optiska mikroskop och profilprojektorer för att analysera ytors kvalitet och strukturella egenskaper med hjälp av optiska metoder som kombinerar interferometri och högupplösta kameratekniker. Användningen av en laser tracker eller laser line scanner gör det möjligt att utföra 3D-mätningar och skanna ytor för att upptäcka eventuella avvikelser från de ideala geometriska specifikationerna.

Vid kalibrering och kvalitetskontroll inom produktion är det inte bara noggrant mätinstrument och teknologier som spelar roll utan också hur dessa implementeras i praktiken. För att säkerställa att mätningarna överensstämmer med de internationella standarderna krävs strikt metrologisk spårbarhet och överensstämmelse med bestämmelser från internationella organ som OIML (International Organization of Legal Metrology). Här ingår även att utföra regelbundna verifieringar och re-kalibreringar av mätutrustning för att förhindra att driftstörningar och mätfel ackumuleras över tid.

När man arbetar med interferometri är det också viktigt att beakta hur olika ytors reflektion och absorption av ljus kan påverka precisionen i mätresultaten. Reflektionskoefficienten för olika material kan orsaka avvikelser i interferensmönstret, vilket kan leda till systematiska fel om dessa inte beaktas vid kalibreringen. Därför är det ofta nödvändigt att korrigera för dessa effekter genom att justera mätmetoder eller använda specialiserade filter som tar bort störande ljuskomponenter.

I sammanfattning är interferometri en central teknik för att uppnå extremt noggranna mätningar inom metrologi och kvalitetssäkring. Genom att förstå och hantera de olika felkällorna, såsom geometriska avvikelser, temperaturpåverkan och optiska störningar, samt att säkerställa att alla mätningar är spårbara till internationella standarder, kan man uppnå pålitliga och reproducerbara resultat. För den som arbetar med högprecisionsmätningar är det avgörande att ha en djup förståelse för de tekniska och teoretiska grunderna bakom interferometriska system samt att noggrant övervaka alla parametrar som kan påverka mätresultaten.