Гониометры - приборы для измерения углов

Санкт-Петербургский Государственный Университет Кино и Телевидения

Кафедра светотехники

Реферат на тему:

«Приборы для измерения углов - гониометры»

Выполнила: студентка 816 гр.

Румянцева Н.Н.

                                                 Проверил:   

Санкт-Петербург

2012г.

Назначение прибора

Гониометр - прибор для измерения углов между гранями кристаллов, а также для измерения углов различных призм.

Кристаллы можно однозначно характеризовать углами между их гранями.

Назначение: Гониометр является контрольно-измерительным прибором лабораторного типа, предназначенным для следующих технических измерений: для измерения углов между нормалями к плоским полированным граням твердых прозрачных и непрозрачных тел и пирамидальности призм.

Так же есть специальные гониометры, предназначенные для измерения углов движений в суставах (т.е. измерения подвижности суставов), а также для определения кривизны оси конечности и позвоночника у взрослых и детей.

Классификация:

1) Прикладной (прикасательный) гониометр. (Каранжо) состоит из транспортира и вращающейся метал. линейки, между которыми зажимается кристалл. Из-за малой точности применяется лишь для измерения крупных кристаллов.

2) Однокружный (отражательный) гониометр. (Волластона, Митчерлиха) состоит из метал. градуированного лимба, в центре которого прикрепляется кристалл, освещаемый сбоку источником света. Используется для точных измерений показателя преломления.

Рис. 2. Однокружный отражательный гониометр: а — общий вид; б — схема; К — коллиматор; Т — зрительная труба; L — лимб; n — нониус; N₁ и N₂ — нормали соответственно к граням а и b.

Кристалл, приклеенный к вращающейся оси, освещается коллимированным пучком света; лучи, отражённые от его граней, поочерёдно наблюдаются в зрительную трубу Т. Углы поворота кристалла отсчитываются по шкале.

3) Наиболее совершенный теодолитный двухкружный (отражательный) ганиометр. (Федорова, Гольдшмидта, Чапского) состоит из двух вращающихся градуированных лимбов: вертикального (j ) и горизонтального (r ) (т.е. кристалл или зрительную трубу можно вращать вокруг двух осей). Теодолитный гониометр дает возможность получать непосредственно сферические координаты j и r нормалей к граням. По данным подобных измерений могут быть вычислены элементы кристалла и углы между любыми гранями.

Обобщенная структурная схема

Оптическая схема гониометра представлена на рис. 3.  Свет от источника 1 освещает щель 2 коллиматора, которая расположена в фокальной плоскости объектива 3 коллиматора. Из объектива коллимированный пучок лучей направляется на призму 4. Если свет немонохроматический, то после преломления в призме произойдет разложение света в спектр, причем из призмы выйдут параллельные пучки лучей, отклоненные соответственно волнами различной длины λ₁, λ₂, … Эти параллельные пучки соберутся в фокальной плоскости 6 объектива зрительной трубы 5 в виде спектра, являющегося изображением щели 2. Спектр наблюдается глазом через окуляр 7. Внешний вид гониометра приведен на рис. 4, а, б.

Зрительная труба гониометра (см.  рис.1) представляет собой телескопическую систему  с  длиннофокусным  объективом (1) и короткофокусным окуляром (3).

В отличие от обычных зрительных труб, труба гониометра имеет автоколлимационный окуляр с кубиком. Этот окуляр состоит из двух склеенных прямоугольных призм (4, 5), сеток (6) и (7), лампы подсветки (8) и окуляра (3). Сетка (6) представляет собой прозрачный крест, прорезанный в непрозрачном слое. Сетка (7) - прозрачную стеклянную пластину с черным крестом. Сетка (7) находится в фокальной плоскости окуляра. Это устройство позволяет установить оптическую ось трубы перпендикулярно любой плоскости, обладающей способностью зеркально отражать свет. Пусть, например, перед объективом трубы помещена стеклянная призма. Свет от лампы (8) освещает сетку (6). Рассмотрим ход лучей, прошедших через какую либо точку прозрачного креста. (См. рис.2).

Расходящийся от центра креста пучок лучей отражается от полупрозрачной диагональной грани кубика и проходит через объектив трубы и грань призмы (5). Если грань перпендикулярна оси трубы, то свет, отразившись от нее, образует изображение сетки (6) (светлый крест на темном фоне) в плоскости сетки (7). Полученное таким образом изображение наблюдается с помощью окуляра (3).

Рис.2 относится к случаю, когда фокусы объектива и окуляра совпадают (труба сфокусирована на бесконечность). Только в этом случае изображение сетки (6) попадает в фокальную плоскость окуляра и мы наблюдаем резкий крест. Когда труба сфокусирована на бесконечность, мы можем, наклоняя столик, вывести изображение светлого креста в центр сетки (7), теперь отражающая грань точно перпендикулярна оси трубы. Последовательно наводя трубу на разные грани призмы и отсчитывая углы поворота трубы, легко измерить углы между гранями.

Точность измерения углов, при хорошем качестве изображения, определяется фокусным расстоянием объектива и толщиной нити креста.

Для гониометра ГС-5 точность измерения углов составляет 5”. Таким образом, гониометр с автоколлимационной  трубой позволяет с большей точностью измерять углы между гранями призм, кристаллов и других объектов с вертикально отражающими плоскими поверхностями. С помощью автоколлимационного окуляра производится также юстировка гониометра для спектральных исследований. (*Слово автоколлимационный означает, что параллельные пучки лучей от точек рассматриваемого объекта (в данном случае прозрачного креста) создаются тем же объективом, который в дальнейшем вновь собирает их для получения изображения.*)

Метрологические характеристики

Для измерения различных оптических деталей и поверки угловых мер используются гониометры. Передача размера плоского угла от высшего разряда к низшему обеспечивается методом прямого измерения с помощью гониометров 1, 2 и 3 разряда.

В качестве средства измерений 1 разряда применяются: гониометры, многогранные призмы, автоколлимационные установки и экзаменаторы. Доверительные абсолютные погрешности рабочих эталонов 1 разряда при доверительной вероятности 0,99 составляют от 0,1” до 0,4”.

В качестве средства измерений 2 разряда применяются: гониометры, угловые меры типов 1,2 и 3, многогранные призмы, автоколлиматоры, уровни и экзаменаторы. Доверительные абсолютные погрешности рабочих эталонов 2 разряда при доверительной вероятности 0,99 составляют от 0,4” до 2,0”.

В качестве средства измерений 3 разряда применяются: гониометры, угловые меры типов 1,2 и 3, многогранные призмы, автоколлиматоры, уровни и экзаменаторы. Доверительные абсолютные погрешности рабочих эталонов 3 разряда при доверительной вероятности 0,99 составляют от 2” до 8”.

На сегодняшний день большинство лабораторий предприятий России для поверки угловых мер до сих пор используют технически устаревшие и снятые с производства визуальные модели гониометров ГС-1Л (соответствует средству измерений 1 разряда), ГС-2 (соответствует средству измерений 2 разряда) и ГС-5 (соответствует рабочему средству измерений).

Виды приборов

Гониометр ГС-5

Фотография гониометра ГС-5 приведена на рис.4,5. Прибор состоит из следующих основных узлов: зрительная труба (1), коллиматор для создания параллельного пучка лучей (2), столика (3) для установки исследуемого объекта и отсчетного лимба.

Фокусировка зрительной трубы и коллиматора производится маховичками (4 и 5) по шкалам (6 и 7). Винты (8 и 9) служат для юстировки зрительной трубы и коллиматора относительно горизонтальной оси.

Зрительная труба со стойкой, в которой смонтирован микроскоп (10), крепится к алидаде (11). Коллиматор закреплен неподвижно на основании (12). В средней части основания жестко закреплена цилиндрическая ось, на которой установлены лимб, алидада и столик.

Для правильной установки измеряемого предмета, предусмотрен наклон столика в двух взаимно перпендикулярных направлениях, осуществляемый винтами (21).

Отсчетное устройство гониометра состоит из лимба, оптического микрометра и микроскопа (10). Поле зрения отсчетного микроскопа изображено на рис.6. В левом окошке видны изображения диаметрально противоположных участков лимба и вертикальный индекс. В правом окне - деления шкалы оптического микрометра и горизонтальный индекс. Цена деления лимба 20′′.

Шкала оптического микрометра устроена так, что ее перемещение на 600 делений смещает верхнее изображение штрихов лимба относительно нижнего на 10′ . Каждое деление шкалы соответствует 1/600 от 10′ , т.е. 1′′. Чтобы снять отсчет по лимбу, необходимо повернуть маховичок (22) оптического микрометра настолько, чтобы верхние и нижние изображения штрихов лимба в левом окне точно совместились (как на рис.6). Число градусов будет равно ближайшей левой от вертикального индекса цифре. Число десятков минут равно числу интервалов, заключенных между верхним штрихом, который соответствует отсчитанному числу градусов и нижним оцифрованным штрихом, отличающегося от верхнего на 180o. Число единиц минут отсчитывается по шкале микрометра в правом окне по левому ряду чисел. Число десятков секунд в том же окне по правому ряду чисел. Число единиц секунд равно числу делений между штрихами, соответствующими отсчету десятков секунд и неподвижным горизонтальным индексом. Положение, показанное на рис.6 соответствует отсчету 0o15′55′′.

Гониометр ГС-2

Гониометр-спектрометр ГС-2 является оптическим контрольно-измерительным прибором лабораторного типа высокой точности, предназначенным для измерения в видимой области спектра углов между нормалями к плоским полированным граням твердых прозрачных и непрозрачных тел, пирамидальности их граней, кроме того, гониометр-спектрометр ГС-2 применяется для измерения показателя преломления и дисперсии прозрачных твердых тел по ГОСТ 5723-75 и для исследования качества оптических систем.

Характеристики:

• Увеличение автоколлиматора: 63Х
• Фокусное расстояние объектива, мм: 674
• Световой диаметр объектива, мм: 70
• Поле зрения автоколлиматора: 32"
• Цена деления лимба гониометра: 10»
• Цена деления шкалы оптического микромкира: 0.5 «
• Предельная погрешность при изметении угла одним приемом: 2 «
• Расстояние от оси до оправы объектива автоколлиматора, мм, не менее: 240
• Диапазон измерения плоских углов: от 0 до 360°
• Масса объекта помещаемого на столик, кг, не более: 8
• Габаритные размеры, мм: 1150 х 685 х 650
• Масса, кг: 190

Гониометр Г-5

Гониометр Г-5 предназначен для измерения углов между нормалями к плоским полированным граням твердых прозрачных и непрозрачных тел и пирамидальности призм. Гониометр Г-5 состоит из автоколлиматора, микроскопа, корпуса, столика с лимбом и осевой системой. Оптическая схема гониометра состоит из автоколлиматора и отсчетной системы. Автоколлиматор представляет собой телескопическую систему с внутренней фокусировкой. Отсчетное устройство состоит из подсветки, стеклянного лимба, мостика, оптического микрометра и отсчетного микроскопа.

Характеристики:

• Увеличение автоколлиматора: 40Х
• Фокусное расстояние объектива, мм: 400
• Световой диаметр объектива, мм: 50
• Поле зрения автоколлиматора: 50"
• Предел разрешения автоколлиматора: 30“
• Цена деления шкалы оптического микромкира: 1»
• Предельная погрешность при изметении угла одним приемом: 5“
• Предельная погрещность при измерении угла пирамидальности: 10»
• Расстояние от оси до оправы объектива автоколлиматора, мм, не менее: 120
• Наибольшее расстояние от столика до оси объектива автоколлиматора, мм, не менее: 30
• Масса объекта помещаемого на столик, кг, не более: 8
• Габаритные размеры, мм: 610х260х370
• Масса, кг: 30

Гониометр ГС-1М (Г1)

Гониометр-спектрометр ГС1М предназначен для высокоточного измерения углов между плоскими полированными гранями оптических деталей, измерения их показателя преломления, измерения дисперсии, угла наименьшего отклонения и пирамидальности призм.

Гониометр ГС-1, наравне с гониометрами ГС-2, Г-5М и ГС-5, до сих пор используется на оптических предприятиях.  Гониометр ГС1 применяется:
- в оптическом приборостроении и машиностроении для измерения углов различных оптических деталей с плоскими гранями;
- на предприятиях, производящих оптическое стекло, для измерения показателя преломления;
- в метрологии;
- в научно-исследовательских институтах для оптико-физических исследований стекла и других материалов.
  Гониометр-спектрометр ГС-1 является оптическим контрольно-измерительным прибором лабораторного типа высокой точности, предназначенным для измерения в видимой области спектра углов между нормалями к плоским полированным граням твердых прозрачных и непрозрачных тел и пирамидальности их граней, кроме того, для измерения показателя преломления и дисперсии прозрачных твердых тел по ГОСТ 5723-75 и для исследования качества оптических систем.
  Допускаемое отклонение при измерении любого углового интервала: ±1 угл.сек.