Unidad 3 - Metrología Optica e Instrumentación Basica

 

Unidad 3. Metrología óptica e instrumentación básica 3.1.- Introducción a la óptica Parte de la física que estudia las leyes y fenómenos de la luz. El estudio de la óptica se divide en 2 partes, la óptica geométrica y la óptica física. La primera se ocupa de los fenómenos de radiación luminosa en medios homogéneos sin considerar su naturaleza u origen; la segunda estudia la velocidad, la naturaleza y características de la luz.

3.2.- Óptica geométrica La óptica geométrica parte de las leyes fenomenológicas de Snell (o (o   Descartes según otras fuentes) de la reflexión y la refracción. refracción. A  A partir de ellas, basta hacer geometría con los rayos luminosos para la obtención de las fórmulas que corresponden a los espejos, espejos,   dioptrio y lentes (o sus combinaciones), combinaciones), obteniendo así las leyes que gobiernan los instrumentos ópticos a que estamos acostumbrados. La óptica geométrica usa la noción de rayo luminoso; es una aproximación del comportamiento que corresponde a las ondas electromagnéticas (la luz) luz)   cuando los objetos involucrados son de tamaño mucho mayor que la longitud de onda usada; ello permite despreciar los efectos derivados de la difracción, difracción,   comportamiento ligado a la naturaleza ondulatoria de la luz. Snell: ángulos de índice (i) y de refracción (r) entre dos medios, estos ángulos se miden con respecto al vector normal a la superficie entre los medios.

3.3.- Óptica física La óptica física es la rama de la óptica la óptica que toma la la luz  luz como una una onda  onda y explica algunos fenómenos que no se podrían explicar tomando la luz como un rayo.  rayo.  Estos fenómenos son:   Difracción:  es la capacidad de las ondas para cambiar la dirección alrededor de obstáculos en su trayectoria, esto se debe a la propiedad que tienen las ondas de generar nuevos frentes de onda.   Polarización: es la propiedad por la cual uno o más de los múltiples planos en que vibran las ondas de luz se filtra impidiendo su paso. Esto produce efectos como eliminación de brillos. 

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3.4.- Diferencia, ventajas y desventajas de instrumentos analógicos y digitales. La diferencia entre un instrumento analógico y uno digital en la metrología óptica esta en la forma de mostrar los resultados, típicamente con display de aguja los analógicos y con display numéricos los digitales. Los analógicos tienen el

 

problema de la falta de linealidad de las agujas (llevan resortes) y los digitales, que utilizan el mismo tipo de sensor que los analógicos, convierten la señal de medida (típicamente voltaje o corriente) a valores digitales a través de convertidores analógico-digital. La ventaja de los digitales viene cuando la medida requiere de un cálculo, el cual es mucho más fácil de realizar en un instrumento digital, pues puede llevar microprocesadores que se encarguen de esa tarea.

Con un instrumento analógico la señal procesada cambia continuamente con la variable que esta midiendo. Su ventaja es que es más rudimentario y es de bajo costo. Con un instrumento digital la señal procesada es discreta, su ventaja es que es fácil de leer el resultado del instrumento y la fácil capacidad de interactuar el resultado con la computadora. 3.5.- Instrumentos ópticos MICROSCOPIOS: Las aplicaciones de estos aparatos están destinadas fundamentalmente a la medición de longitudes, pero su campo de medición es más reducido empleándose en consecuencia para la medición de piezas relativamente pequeñas, reglas, herramientas, etc. El objeto de muy pequeñas dimensiones que se desea examinar se coloca en una placa de vidrio llamado porta objetos, se coloca a distancia algo superior a la distancia focal del objeto, iluminándola por la parte inferior mediante un espejo plano. Se forma una imagen real y aumentada dentro de la distancia focal del ocular que a su vez produce una imagen virtual, todavía mayor en algún punto situado entre el próximo y el distante del observador. COMPARADORES: Son amplificadores que permiten efectuar la medición de la longitud por comparación. El sistema de amplificación utilizada en estos aparatos es el de palanca de reflexión. PERFILOMETROS: En estos aparatos la imagen del perfil de la pieza es aumentada por un microscopio y proyectada por medio de espejos sobre una pantalla de vidrio deslustrado. El aumento de las dimensiones de las piezas en imagen proyectada puede ser de 10, 20, 50 y hastatr 100 veces. Las mediciones del perfil proyectado pueden hacerse sobre la pantalla con reglas graduadas, teniendo en cuenta el aumento de la imagen. Las mediciones regulares se realizan con transportadores graduados de material transparente.

 

LUPAS: Permite que el ojo vea una imagen según el ángulo visual mayor que el ángulo con el que vería el objeto sin su intermedio. La relación entre los dos ángulos representa el aumento angular. TELESCOPIOS: Los telescopios astronómicos se dividen en reflectores y refractores. Un  refractor puede construirse mediante 2 lentes sencillas, en forma parecida a un microscopio compuesto. Una lente de gran tamaño (longitud ) focal hace de objetivo siendo su misión recoger tanta luz como sea posible. El ocular es una lente de corta longitud focal. El objetivo forma una imagen real y disminuida de un cuerpo celeste, a la que a su vez se observa mediante el ocular. TEODOLITOS: Instrumento de precisión que se compone de un circuito horizontal y un semicírculo vertical, ambos graduados y provistos de anteojos, para medir ángulos en sus planos respectivos. NIVELES: Los niveles se usan para inspeccionar superficies planas y ángulos rectos. Aunque estas herramientas no están clasificadas en realidad como calibradores, sirve básicamente para los mismos propósitos. La mayoría de los niveles que se usan en el taller de maquinado pertenece al tipo de alcohol o de burbuja y se utilizan en una amplia gama de ajustes de piezas de trabajo y en la instalación de maquinas herramientas. CAMARAS FOTOGRAFICAS: Las cámaras fotográficas se parecen a cierto modo al ojo en algunos detalles, proporcionando como el ojo, una imagen real e invertida de los objetos. La cámara requiere de un concurse de un fotómetro para guardar adecuadamente la abertura.

3.6.- Instrumentos mecánicos  APARATOS OPTICOS PARA LA MEDICION DE LA RUGOSIDAD: Se reservan generalmente para uso de los laboratorios y salas de metrología, por la delicadeza de su manejo. BANCOS PARA MEDIR Ó MAQUINAS PARA MEDIR LONGITUDES: Estas maquinas están destinadas fundamentalmente a la medición de longitudes, aun cuando mediante accesorios adecuados pueden algunas de ellas utilizarse también para mediciones angulares.

 

BLOQUES PATRON: Estas herramientas se usan para efectuar operaciones de calibración, de precisión y para calibrar otras herramientas de medición. COMPARADORES: Son amplificadores que permiten efectuar la medición de una longitud por comparación, después de ser calibrada. COMPARADORES DE AMPLIACION MECANICA: También conocidos como comparadores de contacto como los tipos más corrientes son los de: -ampliación por engranes -ampliación por palanca. COMPARADORES UNIVERSALES: Son aparatos de construcción mas resientes y que, debido a su reducción de tamaño y a la disposición de su palpador, permite mediciones en lugares difíciles e incluso imposible para los comparadores normales. MEDIDOR DE ANILLOS EN EQUILIBRIO: Es un medidor del momento de torsión radial que utiliza un cuerpo anular hueco para convertir la presión diferencial correspondiente a una diferencial en la presión estática, en la rotación que se trasmite al registrador o indicador. MANOMETRO: El manómetro que más se usa es el de tipo de tubo en U, lleno parcialmente de líquido apropiado. Este tipo de manómetro es uno de los más usados para medir presiones, fluidos en condiciones de estado estacionario; en general se desprecia los efectos por capilaridad. MICROSCOPIO DE MEDICION: Las aplicaciones de estos aparatos son similares a los de las maquinas de medir, pero su campo de medición es mas reducido, empleándose en consecuencia para la medición de piezas relativamente pequeñas, galgas, herramientas, etc. NIVELES: reglas de borde recto y las escuadras se utilizan para inspeccionar superficies Las planas y ángulos rectos: MICROMETRO: Es un dispositivo que mide el desplazamiento del husillo cuando este es movido mediante el giro de un tornillo, lo que convierte al movimiento giratorio del tambor en movimiento lineal del husillo. El desplazamiento de este lo amplifica la rotación del tornillo y el diámetro del tambor. CALIBRADORES: El vernier es una escala auxiliar que se desliza a través de una escala principal para permitir en esta lectura fracciónales exactas de la mínima división.

 

3.7.- Medidores de presión La presión es uno de los parámetros más importantes en tuberías de procesos y se define como la cantidad de fuerza ejercida por unidad de área, la cual puede ser medida por diferentes áreas (tabla 1). Todo nuestro entorno se encuentra sometido a la presión atmosférica (que varia según la altura y siendo de un atmosfera a nivel del mar) la cual sumada a ala presión relativa (también llamada manométrica) nos da un valor de presión absoluta.

La presión manométrica, como su nombre lo indica es medida con un manómetro los cuales se basan en los principios de la hidráulica para su funcionamiento. Existen varios tipos de manómetros algunos de los cuales se describen a continuación: Manómetro de tubo abierto: este tipo de manómetro consta de un tubo en u o inclinado en el cual se introduce un líquido como el mercurio el cual se conecta al sistema de medición por presión y en la otra esta abierto al atmosfera, el tubo se encuentra graduado indicando la presión leída.

Manómetros tipo Bourdon: consta de una caratula graduada y una aguja indicadora articulada a un tubo de metal flexible, curvo y plano llamado Bourdon el cual al ser sometido a presión tiende a enderezarse haciendo que la aguja se mueva e indique la presión en la caratula, este tipo de manómetros tiene una precisión de que va de 1% a 3%.

 

Manómetro de pistón: consta de un pistón unido a la presión del sistema un resorte desbalanceador, aguja y caratula graduada. Al incrementarse la presión el pistón se mueve ejerciendo una fuerza contra el resorte desbalanceador, lo que ocasiona que la aguja se mueva indicando la lectura en la caratula.

Manómetro de diafragma: está formado por una lámina o diafragma la cual transfiere la distorsión a una aguja la cual muestra la lectura indicada.

Manómetro de fuelle: utiliza como medio elástico un fuelle metálico el cual recibe la fuerza proveniente de un líquido lo que hace que se estire transmitiendo el movimiento a una aguja indicando en una caratula la presión indicada.

Con la finalidad de obtener lecturas correctas de presión es necesario calibrar los manómetros a periodos regulares de tiempo así como realizar mantenimiento preventivo para evitar errores y asegurar el buen funcionamiento de los equipos.

 

3.8.- Medidores de torsión Los medidores de torsión son aquellos que miden la deflexión de un elemento, además de ver los límites máximos de torsión que este elemento puede soportar.

3.9.- Medidores de esfuerzo mecánico Cuando se analizan los esfuerzos siempre nos topamos con los tipos de esfuerzos llamados uniformemente distribuidos. Esto esfuerzos se dividen en tensión pura, compresión pura ó cortante pura. Un ejemplo típico de tensión pura es el de una barra en tensión, dada una fuerza F que es aplicada por los pasadores en los extremos de la barra se puede pensar que el esfuerzo está uniformemente distribuido a lo largo de la barra. Dentro del esfuerzo mecánico existen dos fenómenos fundamentales: Deformación: cuando una barra recta se le aplica un esfuerzo de tensión, la barra se alarga. El grado deproducido alargamiento recibe el y se define como el alargamiento por unidad denombre longitudde dedeformación, la barra. Elasticidad: La elasticidad es la propiedad por la cual un material puede recobrar su forma y dimensiones luego de ser sometida a un esfuerzo, cuando se pasa cierta carga de esfuerzo, el material denota deformación, quedando por ejemplo para el caso de la tensión, un poco mas largo y un poco mas estrecha.

3.10.- Medidores de dureza Un durómetro o medidor de dureza en metales es un aparato que mide la dureza de los materiales, existiendo varios procedimientos para efectuar esta medición.

 

El medidor de dureza de metales se aplica una fuerza normalizada sobre un elemento penetrador, también normalizado, que produce una huella sobre el material. En función del grado de profundidad o tamaño de la huella, obtendremos la dureza la dureza.  Dentro de cada uno de estos procedimientos, hay diversas combinaciones de cargas y penetradores, que se utilizarán dependiendo de la muestra a ensayar.

3.11.- Instrumentos de medición por coordenadas (X, Y, Z) La posición de un punto en el espacio está definido, en coordenadas cartesianas, por los valores relativos de los tres ejes X, Y y Z con respecto a un sistema de referencia. Usando series de puntos, es posible construir el elemento geométrico que pase por ellos o que se aproxime al máximo. La Máquina de Medición por Coordenadas (MMC) puede ser definida como "una máquina que emplea tres componentes móviles que se trasladan a lo largo de guías con recorridos unacon pieza por determinación coordenadas X, Y y Zortogonales, de los puntospara de lamedir misma un palpador de contactodeo las sin él y sistema de medición del desplazamiento (escala), que se encuentran en cada uno de los ejes". Como las mediciones están representadas en el sistema tridimensional, la CMM puede efectuar diferentes tipos de medición como: dimensional, posicional, desviaciones geométricas y mediciones de contorno. Una máquina de medida por coordenadas (MMC) es pues un instrumento de medida absoluta de precisión capaz de determinar la dimensión, forma, posición y "actitud" (perpendicularidad, planaridad, etc.) de un objeto midiendo la posición de distintos puntos de su propia superficie. Las máquinas de medir por coordenadas (MMC) se utilizan para las siguientes aplicaciones:

 

  Control de la correspondencia entre un objeto ffísico ísico con sus especif especificaciones icaciones teóricas (expresadas en un dibujo o en un modelo matemático) en términos de dimensiones, forma, posición y actitud.   Definición de características geométricas dimensionales (dimensiones, forma, posición y actitud) de un objeto, por ejemplo un molde cuyas características teóricas son desconocidas.

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