7.5 Гониометр

Гониометры являются наиболее точными оптическими приборами для бесконтактного измерения углов и предназначены для измерения углов между плоскими гранями, хорошо отражающими световые лучи. Измерение углов возможно как на непрозрачных, так и на прозрачных телах.    Измерение углов на гониометре осуществляется абсолютным методом, т.е. путём сравнения с точно градуированным лимбом (круговой шкалой) .При сравнении используется коллиматор и зрительная труба (или автоколлиматор ), а также отсчётное устройство.

Оптическая система гониометра состоит из двух частей – наблюдательной и отсчетной. Наблюда­тельная система предназначена для точной фиксации взаимного положения грани измеряемого угла и узлов гониометра. Наблюда­тельная система включает в себя коллиматор  и зрительную трубу.

Коллиматор – оптическое устройство для получения пучков параллельных лучей. Коллиматор  состоит из объектива, в фокальной плоскости которого помещена непрозрачная диафрагма с узкой щелью. Щель освещается с помощью  осветителя. Объектив и диафрагма укреплены в зачернённой изнутри трубе. Параллельный пучок лучей выходящий иэ коллиматора, задаёт в пространстве некоторое базовое направление, относительно которого отсчитываются измеряемые углы. Коллиматор с осветителем жестко закреплен на основа­нии  прибора, вокруг оси которого имеют возможность поворачи­ваться алидада  со зрительной трубой и предметный столик, на котором устанавливают измеряемые детали.

В гониометре зрительная труба служит для фиксации в пространстве направления совпадающего с оптической осью трубы. Простейшая зрительная труба Кеплера,  состоит из объектива, окуляра, сетки с перекрестием.

Объектив – это обращённая к объекту часть оптической системы, формирующая действительное изображение объекта.  Окуляр – это обращённая к глазу наблюдателя часть оптической системы, которая служит для визуального рассмотрения действительного изображения, сформированного объективом.

В общей фокальной плоскости объектива и окуляра установлена сетка с перекрестием, которая и обеспечивает возможность не только наблюдать удалённые объекты, но и определять направления на них. Так, изображение удалённого объекта, получится в центре перекрестия лишь в том случае, если направление на объект совпадает с главной оптической осью зрительной трубы. Совмещение изображения наблюдаемого объекта с перекрестием представляет собой наведение оси трубы на объект. Фокусировка на резкость различно удалённых объектов наблюдения осуществляется при помощи дополнительной рассеивающей линзы, установленной между объективом и окуляром. Перемещением этой линзы удаётся приводить в переднюю фокальную плоскость окуляра изображения объектов различно удалённых от наблюдателя при неизменной длине трубы.

Сущность автоколлимации заключается в объединении в одном приборе коллиматора и зрительной трубы. Автоколлиматор (рис. 7.5.1) используется для того, чтобы с высокой точностью устанавливать плоские отражающие поверхности перпендикулярно его оптической оси. Автоколлиматор представляет собой зрительную трубу со специальным окуляром, который называется автоколлимационным. Часто используют  автоколлимационный окуляр-куб с двумя сетками.

схема автоколРис. 7.5.1   Схема автоколлиматора

1 – осветитель; 2 – объектив; 3 – окуляр; 4 – глаз наблюдателя

Автоколлиматор (рис. 7.5.2) состоит из объектива 2, светоделительного кубика 3, склеенного из двух прямоугольных призм, причём, в плоскости склейки одна из гипотенузных граней полупрозрачна (на нее нанесен тонкий слой алюминия). За кубиком в фокальной плоскости окуляра установлена стеклянная пластинка с перекрестием 4 (Вид Б), а далее окуляр 5. Между осветительной лампой  и кубиком  установлена в строго фокальной плоскости объектива 5,  вторая стеклянная пластинка 6, на которой на слое алюминия прочерчен прозрачный крест (Вид А)..

схема работы автоколРис. 7.5.2    Схема работы автоколлиматора

        Если перед автоколлиматором установить плоскую отражающую поверхность 1 перпендикулярно оптической оси автоколлиматора, то изображение светящегося креста сетки 6 совпадёт с перекрестием сетки 4. При отклонении отражающей плоскости 1 изображение светящегося креста будет смещаться. При выключенном осветителе автоколлиматор можно использовать в качестве зрительной трубы.    Современные гониометры в основном снабжены автоколлиматором.

Поворотом столика с деталью при неподвижной зрительной трубе или алидады (поворотного визирного приспособления) со зри­тельной трубой при неподвижном столике устанавливают такое взаимное положение детали и зрительной трубы, чтобы луч света от коллиматора, отразившись от грани детали, пошел по оси зри­тельной трубы. При использовании автоколлимационного окуляра зрительной трубы производят установку грани детали перпенди­кулярно к оси зрительной трубы, при таком положении отражен­ный луч возвращается по оси трубы (коллиматор в этом случае не используется). Последовательно наводя трубу на различные грани детали, определяют углы взаимного поворота детали и зри­тельной трубы по отсчетной системе прибора.

Отсчетная система включает в себя лимб (круговую  шкалу  от 0 до 360°) и оптическую систему, обеспечивающую считывание одно­временно по двум диаметрально противоположным сторонам лим­ба. В отсчетную систему входит оптический клиновой микрометр, позволяющий получать малую цену деления прибора и совмещать между собой изображения с двух диаметральных сторон лимба в поле зрения отсчетного микроскопа.

В процессе измерения лимб поворачивается вместе со столиком, а оптическая система связана с алидадой. Конструкцией гониомет­ра предусмотрена также возможность независимого поворота лим­ба относительно стола и поворота его совместно с алидадой. Не­зависимый поворот лимба используется при настройке и в случае необходимости измерения угла на различных участках лимба (на­пример, для усреднения погрешностей шкалы лимба).

Выпускаются гониомет­ры с пределами допускаемой погрешности ±0,3 , ±1″, ±2″, ±3″ и ±5″. Цена деления шкалы лимба в зависимости от точности гониометра со­ставляет 10′ или 20′, а шкалы отсчетного оптического микромет­ра – 0,5″ и 1″. Указанные значения погрешности нормируются по средним значениям из трех наведений на каждую грань, составляющий один прием измерения.    На погрешность измерения углов с помощью гониометров влияют случайные погрешности наведения, погрешности шкалы лимба, погрешности отсчета.

Гониометры (рис. 7.5.3комплектуют набором окуляров и сменных узлов, расширяющих возможности прибора.

гониометрРис.  7.5.3  Гониометр

 В настоящее время выпускаются цифровые гониометры, снабженные цифровым автоколлиматором (раздел 7.6), оптоэлектронным энкодером угла поворота стола, компьютером и ПО. Это существенно повышает точность и удобство измерений.

В машиностроении гониометры применяются мало, например, для поверки делительных головок.  Их применяют в основном при производстве и измерении  оптических деталей (призм), кристаллов и т.п.