Способ бесконтактного измерения площади поперечного сечения микропроволоки
Владельцы патента RU 2293947:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева" (RU)
Изобретение относится к областям производства и применения проводящих проволок и может быть использовано для измерения и контроля площади поперечного сечения микропроволоки, а также для измерений и контроля ее диаметра. Сущность: микропроволоку фиксируют в жестких опорах, создают натяжение, возбуждают вынужденные поперечные колебания путем пропускания электрического тока через микропроволоку, находящуюся в магнитном поле. Определяют резонансную частоту колебаний, длину и силу натяжения микропроволоки, по которым судят о площади ее поперечного сечения. Резонансную частоту колебаний определяют путем изменения частоты вынужденных колебаний микропроволоки при постоянных значениях ее длины и силы натяжения, или путем изменения длины микропроволоки при постоянных значениях ее силы натяжения и частоты вынужденных колебаний, или путем изменения силы натяжения микропроволоки при постоянных значениях ее длины и частоты вынужденных колебаний. Технический результат: повышение точности и расширение диапазона измерений. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к областям производства и применения проводящих проволок и может быть использовано для измерений и контроля площади поперечного сечения микропроволоки, а также для измерения и контроля ее диаметра.
Известен емкостной способ бесконтактного измерения площади поперечного сечения проволок, заключающийся в том, что контролируемую проволоку размещают внутри емкостного датчика, включают его в цепь индикатора сигналов и по показаниям этого индикатора судят о результатах измерения (SU №345351, МПК G 01 В 7/32, опубл. 14.07.1972).
Недостатком является ограниченное использование данного способа, т.к. возможно измерение площади поперечного сечения только токопроводящих проволок. Кроме того, происходит загрязнение датчика в процессе работы, что приводит к необходимости его регулярной чистки.
Наиболее близким по технической сущности решением является способ контроля микропроволоки, заключающийся в том, что микропроволоку помещают внутрь кольцевого электрода, создают между микропроволокой и электродом напряжение достаточной величины и по силе тока коронного разряда судят о диаметре (SU №364885, МПК5 G 01 N 27/00, опубл. 28.12.1972).
Недостатками данного способа являются: зависимость тока коронного разряда от давления, влажности воздуха и наличия в нем пыли, что приводит к высокой погрешности в процессе измерения.
Технический результат заключается в повышении точности измерении и расширении диапазона контролируемых диаметров микропроволоок.
Технический результат достигают тем, что в способе измерения площади поперечного сечения микропроволоки фиксируют ее в жестких опорах, создают натяжение, возбуждают вынужденные поперечные колебания путем пропускания электрического тока через микропроволоку, находящуюся в магнитном поле, определяют резонансную частоту колебаний, длину и силу натяжения микропроволоки, по которым судят о площади ее поперечного сечения. Резонансную частоту колебаний определяют путем изменения частоты вынужденных колебаний микропроволоки при постоянных значениях ее длины и силы натяжения. Резонансную частоту колебаний определяют путем изменения длины микропроволоки при постоянных значениях ее силы натяжения и частоты вынужденных колебаний. Резонансную частоту колебаний определяют путем изменения силы натяжения микропроволоки при постоянных значениях ее длины и частоты вынужденных колебаний.
Площадь поперечного сечения микропроволоки можно определять из выражения для частоты их собственных поперечных колебаний. Как известно (Физический энциклопедический словарь. Т.5 Изд-во «Советская энциклопедия», с.98), гибкая натянутая между опорами нить (струна) при ее возбуждении совершает поперечные колебания с собственной частотой
где n - номер гармоники, L - длина нити, Т - сила ее натяжения, ρ - плотность материала нити, S - площадь ее сечения.
Измерив длину нити, силу ее натяжения, определив частоту собственных колебаний, зная плотность материала нити, из формулы (1) определяют площадь поперечного сечения. При круглом сечении нити из площади поперечного сечения определяют ее диаметр.
Если в нити возбудить вынужденные колебания, можно определить ее резонансную частоту, которая при малом затухании совпадает с частотой собственных колебаний. Это позволяет также определить, из формулы (1) площадь ее поперечного сечения или диаметр, если нить имеет круглое сечение. Резонансную частоту колебаний нити можно определять, изменяя различные параметры микропроволоки:
- изменять частоту вынужденных колебаний при постоянных значениях длины и силы натяжения;
- изменять длину при постоянных значениях силы натяжения и частоты вынужденных колебаний;
- изменять силу натяжения при постоянных значениях длины и частоты вынужденных колебаний.
При параметрическом возбуждении колебаний нити частоту ее собственных колебаний можно определить, зная частоту изменений какого-либо из ее параметров.
Микропроволоки и волокна широко используются в различных изделиях, приборах и площадь их поперечного сечения является одним из основных параметров, определяющих качество этих изделий.
Предлагаемый способ может быть осуществлен с использованием установки, собранной на базе измерительного микроскопа (чертеж). К массивному литому основанию 1 микроскопа жестко крепится скоба 2 из листового дюралюминия, несущая на себе пластины 3 из текстолита. В пластинах просверлены отверстия, в которых фиксируется составная латунная шпилька 4. Еще одна составная латунная шпилька 5 фиксируется посредством хомута 6 из винипласта на предметном столике 7 микроскопа. Испытуемый проволочный образец 8 (струна) жестко крепится винтом в шпильке 4. Другой конец струны перекинут через микроблок в торце шпильки 5, и соединяется винтом с грузом 9, создающим необходимое натяжение проволоки (струны). Длина проволоки может меняться плавно с помощью нониусного микровинта 10 микроскопа, а также ступенчато через 25 мм путем изменения положения шпильки 4, в отверстиях текстолитовых пластин 3. Для ступенчатого изменения длины струны предусмотрены также два дополнительных отверстия в хомуте 6, в которые может вставляться шпилька 5.
К струне подается напряжение от звукового генератора через реостат и латунные шпильки 4 и 5. Вынужденные поперечные колебания проволоки (струны) возбуждаются благодаря взаимодействию протекающего в ней переменного тока звукового генератора и магнитного поля постоянного магнита 11, расположенного на специальной платформе 12. Платформа 12 изготовлена из листового винипласта, покоится на кромках пластин 3 и фиксируется винтом в нужном положении.
Резонанса колебаний струны можно добиваться путем плавного изменения ее длины микровинтом 10 или изменением частот звукового генератора. Резонанс фиксируется визуально по максимуму амплитуды колебаний. Частота колебаний при этом определяется частотомером типа РЧ3-07-0002. Установка позволяет проводить исследования при различной силе натяжения струны, которая регулируется путем замены грузов 9. Полученные результаты показаны в таблице.
| Таблица | ||||||
| Материал микропроволоки | Диаметр микропроволоки, мкм | L, м | Т, Н | f, Гц | Диаметр микропроволоки, определенный предлагаемым способом и рассчитанный по формуле (1) | Диаметр микропроволоки, определенный коронноразрядным методом |
| Вольфрам | 37 | 0,244 | 1,08 | 460 | 37,1 | 36,8 |
| -«- | -«- | -«- | 1,28 | 505,4 | 37,3 | 36,6 |
| -«- | -«- | 0,397 | 0,3 | 152,8 | 36,8 | 37,1 |
| -«- | -«- | -«- | 0,497 | 195,6 | 36,9 | 37,6 |
| -«- | -«- | -«- | 0,693 | 231,9 | 36,8 | 37,9 |
| -«- | -«- | -«- | 1,67 | 354 | 37,4 | 37,8 |
| -«- | 31 | -«- | 0,203 | 150,1 | 30,7 | 31,1 |
| -«- | -«- | -«- | 0,3 | 184 | 30,5 | 31,6 |
| -«- | -«- | -«- | 0,497 | 232,6 | 31,0 | 32,0 |
| -«- | 100 | -«- | 1,28 | 116,1 | 99,8 | Нет |
| -«- | -«- | -«- | 1,67 | 132 | 100,4 | -«- |
| -«- | -«- | -«- | 2,07 | 148 | 99,5 | -«- |
| -«- | -«- | -«- | 2,26 | 152 | 101,3 | -«- |
| -«- | -«- | -«- | 2,56 | 161 | 101,7 | -«- |
| -«- | -«- | -«- | 3,05 | 175,9 | 101,6 | -«- |
| Сталь | 305 | -«- | 5 | 119,3 | 303 | -«- |
| -«- | -«- | -«- | 7,95 | 150,4 | 303 | -«- |
| -«- | -«- | -«- | 11,8 | 181,5 | 305 | -«- |
При расчетах плотность стали принималась равной 7,8 кг/см3, плотность вольфрама - 19,3 кг/см3. Диаметр вольфрамовой проволоки, указанный во втором столбце, определялся весовым методом [1], диаметр стальной проволоки - микрометром.
Как видно из представленной таблицы, результаты измерений предлагаемым способом в пределах допустимой погрешности совпадают с диаметром проволок, определенных другими известными методами.
1. Способ измерения площади поперечного сечения микропроволоки, характеризующийся тем, что микропроволоку фиксируют в жестких опорах, создают ее натяжение, возбуждают вынужденные поперечные колебания путем пропускания электрического тока через микропроволоку, находящуюся в магнитном поле, определяют резонансную частоту колебаний, длину и силу натяжения микропроволоки, по которым судят о площади ее поперечного сечения.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что резонансную частоту колебаний определяют путем изменения частоты вынужденных колебаний микропроволоки при постоянных значениях ее длины и силы натяжения.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что резонансную частоту колебаний определяют путем изменения длины микропроволоки при постоянных значениях ее силы натяжения и частоты вынужденных колебаний.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что резонансную частоту колебаний определяют путем изменения силы натяжения микропроволоки при постоянных значениях ее длины и частоты вынужденных колебаний.
