Instrumentele cu palpare sunt întâlnite oriunde se măsoară starea suprafeţelor: ateliere, zone de inspecţie, laboratoare de cercetare şi de control al calităţii, aşadar construcţia lor va fi analizată în detaliu.
Componentele de bază ale acestor instrumente sunt reprezentate schematic în figura 1 (deschidere). Palpatorul a fost deplasat de-a lungul suprafeţei, iar un traductor a preluat mişcările verticale, convertindu-le într-un semnal electric amplificat, ce acţionează un dispozitiv de înregistrare. Din acest semnal a fost derivată o valoare Ra a rugozităţii, afişată pe un aparat de măsură analogic. Instrumentele noi beneficiază de facilităţi suplimentare, cum ar fi analizarea computerizată a datelor şi posibilitatea măsurărilor automate, dar, în principiu, metoda rămâne aceeaşi.
Instrumentele de măsurare
Rolul instrumentelor este de a converti mişcările verticale ale palpatorului în variaţii proporţionale ale unui semnal electric. Sensibilitatea necesară a traductorului trebuie să corespundă unei deplasări a palpatorului mai mică de 0,01 µm. Deşi mărimea de ieşire este foarte mică, sistemele de înaltă rezoluţie pot evalua abaterile cu exactitate. Pentru ca deplasările să poată fi vizualizate de către operator, acestea sunt amplificate cu un factor de până la x2,000 000.
a) Traductoarele analogice
Pentru studiul stării suprafeţelor, aceste traductoare pot fi împărţite în două grupe, în funcţie de principiul lor de funcţionare:
- De poziţie: Acestea oferă un semnal proporţional cu deplasarea generată de abatere, chiar şi atunci când palpatorul este staţionar. Mărimea de ieşire depinde de distanţa la care palpatorul este deplasat şi se referă doar la poziţia palpatorului în intervalul cursei verticale. Avantajul acestor tipuri de traductoare este că permit o înregistrare reală a ondulaţiei şi a formei.
- De mişcare: Acestea produc un semnal de ieşire doar atunci când palpatorul este în mişcare, semnal dependent de viteza cu care palpatorul este deplasat şi scade la valoarea zero atunci când acesta este staţionar.
b) Traductoare digitale
În timp ce palpatorul este deplasat, impulsurile corespunzătoare, amplificate cu multiplul rezoluţiei traductorului, sunt transmise unui contor electronic de poziţie verticală, ce afişează variaţiile traductorului. Intervalul este definit de cursa fizică a traductorului.Valoarea abaterii indicate este relativă la poziţia palpatorului la care contorului i se atribuie valoarea zero.
Sistemele de măsurare cu traductoare analogice de poziţie
Sistemele de măsurare ce au în componenţă un traductor cu inductanţă variabilă, sunt de acest tip:
Figura 2: Sistem de măsurare cu inductanță variabilă
Figura 3: Schema sistemului modulat de transmitere
Palpatorul este deplasat la un capăt al traversei, la punctul de sprijin de pe marginile profilului ascuţit. La capătul îndepărtat, armătura se deplasează între două bobine ce îşi schimbă inductanţa relativă. Bobinele sunt legate la un circuit de curent alternativ, astfel încât, atunci când poziţia armăturii este centrală, nu generează semnal de ieşire. Schimbarea poziţiei armăturii generează un semnal de ieşire proporţional cu deplasarea, faza semnalului depinzând de sensul de deplasare. Semnalul este amplificat şi comparat cu cel al unui oscilator, pentru a determina în ce sens a fost deplasată armătura faţă de poziţia centrală zero. Palpatorul este menţinut în contact cu suprafaţa de măsurat şi cu profilul ascuţit, prin intermediul unui arc care acţionează asupra traversei. Legăturile împiedică deplasarea traversei în plan orizontal, obligând palpatorul să oscileze doar vertical (figura 2, 3).
Sistemele de măsurare cu traductoare de deplasare
Acest tip de sistem include un cristal piezoelectric ce are proprietatea de a se polariza electric sub acţiunea unui efort mecanic. Acest tip este rar întâlnit, fiind utilizat la sistemele din gama de preţuri mici.
Sistemele de măsurare cu traductoare digitale
Acestea pot fi utilizate la instrumentele bazate pe interferometrie. Interferometria utilizează principiul de numărare a franjelor alternativ luminoase şi întunecate obţinute prin fenomenul interferenţei luminii. Deseori, semnalul este interpolat pentru a oferi o rezoluţie mai bună.
a) Sistemul de măsurare ce utilizează interferometria cu laser
La capătului braţului palpatorului este poziţionat un reflector care acţionează ca un sistem miniaturizat de interferometrie cu laser Michelson. Lungimea de undă a laserului (632,8 nm) reprezintă referinţa de măsurare. Modelul interferenţei este detectat de patru fotodiode, permiţând interpolarea semnalului de ieşire, ce oferă o rezoluţie standard de 10 nm. Domeniul de măsurare de 6 mm este stabilit de dimensiunea reflectorului.
b) Sistemul de măsurare PGI
Sistemul de măsurare PGI (figura 4) a fost dezvoltat pentru a permite un interval de măsurare mai mare decât al sistemului de interferometrie cu laser, având şi dimensiuni reduse datorită utilizării unei diode laser în locul laserului HeNe. Sistemul PGI utilizează un dispozitiv optic de separare a fasciculelor, ce este poziţionat la capătul braţului pivotant, reprezentând elementul mobil al interferometrului. Lungimea de undă oferă referinţa de măsurare, reprezentând diferenţa majoră, măsurarea fiind acum independentă de lungimea de undă a laserului, ce poate varia semnificativ în funcţie de condiţiile de mediu. Modelul franjelor de interferenţă este detectat cu ajutorul a patru fotodiode, permiţând interpolarea semnalului de ieşire la o rezoluţie de 0,8 nm şi un domeniu de 12,5 mm.
Figura 4: Schema funcțională a sistemului de măsurare PGI
După înţelegerea mecanismului de funcţionare, trebuie evidenţiat cum este folosit instrumentul pentru măsurarea neregularităţilor suprafeţelor. Semnalul electric de ieşire reprezintă asocierea deplasării palpatorului şi braţului, faţă de nivelul nominal al suprafeţei. Sistemul trebuie să se deplaseze de-a lungul unei linii precis paralele la suprafaţa de măsurat pentru a obţine un semnal electric de ieşire corect pentru profilul analizat.
Triangulaţia laser
Triangulaţia laser (figura 5) este una dintre cele mai simple metode de măsurare fără contact. Este rapidă şi mai puţin costisitoare, dar oferă o rezoluţie verticală şi laterală slabă.
Figura 5: Triangulația laser (metoda reflexiei)
Un fascicul laser focalizat este proiectat pe o suprafaţă. Punctul luminat este captat de un detector de poziţie ce este calibrat pe lungimea axei Z faţă de suprafaţa de măsurat. Rezoluţia verticală este limitată la aproximativ 1 µm. Rezoluţia orizontală este, de obicei, cuprinsă între 10 – 20 µm şi poate varia în funcţie de intervalul de măsurare vertical.
Microscopul cu forţă atomică
Microscoapele cu forţă atomică (figura 6) sunt sisteme de măsurare cu contact, dar datorită forţei foarte mici a palpatorului, pentru scopuri practice, sunt, de obicei, considerate fără contact. Acestea oferă o capacitate de măsurare 3D la rezoluţii înalte. Deşi au performanţe de măsurare deosebite, trebuie remarcat faptul că ele pot măsura doar suprafeţe mici (cca 100 µm x 100 µm), pe înălţimi mici (cca 5 µm) şi produc seturi de date limitate. Sunt dificil de calibrat şi sunt utilizate, de preferat, pentru rezultate calitative.
Figura 6: Microscop cu forță atomică
Un alt factor-cheie, ce nu trebuie ignorat, este faptul că prima măsurare este bazată pe forţă şi nu pe abaterea profilului. Este, aşadar, posibil să se producă denaturări ale profilului nominal, ca urmare a interacţiunii dintre suprafaţă şi palpator.
Palpatorul microscopului este realizat din siliciu utilizând tehnologia de gravare MEMS (Microsisteme Electromecanice). Traversa are o lungime de aproximativ 50 µm, iar vârful palpatorului are diametrul de 1nm. Traversa este deplasată vertical, iar abaterea este măsurată prin observarea deviaţiei fasciculului de lumină reflectat din vecinătatea palpatorului. Actuatoarele orizontale permit detectarea deplasării palpatorului.
Cătălin Apostol este inginer, Micro-Top Consulting Engineering & Service
