Экспериментальные задачи по физике в домашней обстановке. Способ измерения диаметра тонких протяженных нитей Как измерить нитку карандашом и линейкой
Цель работы: научиться измерять малые физические величины.
Оборудование: линейка, две катушки ниток разной толщины (например, № 10 и № 40), круглый карандаш, мензурка, стакан с водой, 10-20 одинаковых гаек (шурупов, гвоздей) (рис. 85).
Рис. 85
Проверьте себя
Ответьте на вопросы.
- Какова цена деления представленных на рисунке 85 линейки и мензурки?
- Какую минимальную длину можно измерить данной линейкой?
- Какой минимальный объем тела можно измерить данной мензуркой?
Ход работы:
1. Измерьте с помощью линейки диаметры нитей катушек.
Указание. Обычным способом с помощью линейки получить достаточно точное значение диаметра горошины, толщины нити и т. д. невозможно. Для измерения малых физических величин используют следующий метод: укладывают плотно в ряд, например, 10-20 горошин, измеряют длину ряда, делят ее на число горошин и получают среднее значение диаметра одной горошины.
Для работы с тонкими тканями лучше использовать нитки меньшего диаметра. На каждой катушке ниток стоит номер, связанный с толщиной нити. Воспользуйтесь вышеуказанным методом для измерения диаметров нитей двух разных катушек (рис. 86, изображение увеличено). Намотайте на карандаш вплотную друг к другу не менее N = 30 витков нити. Измерьте длину l намотки и вычислите диаметр нити по формуле:
d = l: N
Рис. 86
Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу.
2. Измерьте с помощью линейки толщину одного листа учебного пособия. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу.
Контрольные вопросы
- Как соотносятся между собой диаметры нитей катушек и их номера?
- Как получить наиболее точный результат при измерении малых физических величин?
- Измерьте с помощью мензурки объем одной гайки (шурупа, гвоздя). Опишите свой опыт.
Способ измерения диаметра тонких протяженных нитей включает освещение нитей источником света, прием дифракционного изображения нитей путем регистрации интенсивности экстремальных точек дифракционной картины и его последующую обработку с вычислением диаметра нити. Прием дифракционного изображения нитей осуществляют путем регистрации интенсивности экстремальных точек дифракционной картины, возникающей в результате интерференции проходящей волны света с дифрагированной волной, соответствующей дифракции Фраунгофера. Обработку дифракционного изображения производят путем нахождения контраста дифракционной картины с вычислением диаметра по формуле
где I - контраст дифракционной картины, - длина волны света, используемого источника освещения, L - расстояние от источника света до фотоприемника, s - расстояние между главными максимумами дифракционной картины. Освещение объекта производят точечным монохроматическим источником света. Освещение объекта производят протяженным квазимонохроматическим источником света. Технический результат - повышение точности измерения способа, особенно в части измерения сверхтонких нитей при одновременном упрощении его реализации в заводских условиях. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Рисунки к патенту РФ 2310159
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к оптическим бесконтактным методам измерения диаметра тонких протяженных непрозрачных объектов, и может быть использовано при создании приборов для контроля тонких и сверхтонких нитей и, например, для контроля диаметра нитей накаливания осветительных ламп.
В настоящее время при производстве нити накаливания осветительной лампы остро стоит задача за контролем отклонения ее диаметра от номинального размера. Это связано с тем, что при утончении нити лампа обеспечивает пониженную световую отдачу (мощность), но при этот удлиняется срок эксплуатации, а при ее утолщении - склонна к быстрому перегоранию и не обеспечивает заданный срок эксплуатации.
Диапазон измеряемых значений толщин нитей лежит от 8-10 микрон до 100-150 микрон, при этом погрешность измерения не должна превышать 0.7%. Разрабатываемые измерительные системы для решения данной задачи должны быть достаточно компактными и легко встраиваемыми в различные линии производства. Такие системы не должны зависеть от внешних факторов, таких как пыль, фоновые засветки и др.
Известен способ бесконтактного определения толщины нити, основанный на дифракционном методе измерения, включающем источник монохроматического (точечного) освещения, Фурье-звено для формирования дифракционного изображения объекта и фотоприемник для его регистрации (см. а.с. СССР №1357701, кл. G01В 11/08, 1987 г.).
Основными недостатками указанного способа являются, во-первых, необходимость применения высокоточной дорогостоящей Фурье-оптики, что требует сложных операций настройки и юстировки, во-вторых, чувствительность к таким факторам, как пыль и незначительные загрязнения оптических компонент и, наконец, недостаточно высокая точность измерения при контроле непрозрачных объектов малого диаметра вследствие влияния нулевого порядка дифракции. В последнем случае имеют место наложения "хвостов" нулевого порядка на информативный сигнал, уровень интенсивности которого в окрестности первых порядков дифракции оказывается заметно ниже уровня «хвостов» нулевого порядка, что не только затрудняет определение положения экстремумов дифракционной картины объекта с приемлемой точностью, но даже приводит к потере информативного сигнала. Это приводит к необходимости использования при обработке изображения более дальних дифракционных порядков, амплитуда которых, однако, может быть порядка амплитуды высокочастотного шума, что заметно снижает точность и диапазон измерения.
Кроме того, известный способ сложно применять в заводском производстве. Это связано с тем, что данный измеритель имеет неудовлетворительные массогабаритные показатели, что вызывает определенные трудности при встраивании указанного устройства в линии производства, например, нитей.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению (прототипом) является способ бесконтактного определения толщины непрозрачной нити, основанный на теневом методе измерения, включающем источник монохроматического (точечного) освещения и многоэлементный фотоприемник для регистрации дифракционного изображения контролируемого объекта и последующую обработку этого изображения с вычислением диаметра нити по известному пороговому алгоритму (см. европейский патент №0924493, кл. G01B 11/08, 1999 г.).
Основными недостатками известного способа являются, во-первых, невысокая точность измерения, которая зависит от точности определения коэффициента геометрического увеличения при пространственном перемещении объекта и порогового уровня положения краев объекта. Во-вторых, невозможность измерения известным способом тонких нитей диаметром от 100 мкм и менее, т.к. известно, что у измерительных систем, базируемых на анализе дифракционных картин Френелевского типа, нижний диапазон составляет порядка зоны Френеля, значение которой для нормальной работы измерителя (расстояние между объектом и источником света z=15 мм) порядка 100 мкм. Следует особо отметить, что в этом случае значительно повышается погрешность измерения, что обусловлено взаимодействием дифракционных изображений краев контролируемого объекта.
Кроме того, указанные системы требуют ввода дополнительного ортогонального канала для регистрации пространственных перемещений контролируемого объекта для ввода поправки на коэффициент геометрического увеличения, что приводит к значительному росту габаритов измерителя. Также этот способ чувствителен к таким факторам, как пыль и всевозможные загрязнения, что ограничивает его применение в промышленных условиях или требует ввода дополнительных средств, необходимых для очистки системы и защиты оптического тракта.
Технической задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, а именно повышение точности измерения способа, особенно в части измерения сверхтонких нитей при одновременном упрощении его реализации в заводских условиях.
Указанная задача в способе измерения диаметра тонких протяженных нитей, включающем освещение объекта источником света, прием дифракционного изображения объекта путем регистрации его дифракционной картины многоэлементным фотоприемником и ее последующую обработку с вычислением диаметра нити, решена тем, что прием дифракционного изображения объекта осуществляют путем регистрации интенсивности экстремальных точек дифракционной картины, возникающей в результате интерференции проходящей волны света с дифрагированной волной, соответствующей дифракции Фраунгофера, а обработку сигнала производят путем нахождения контраста дифракционной картины с вычислением диаметра по следующей формуле:
где I=(I max -I min)/(I max +I min) - контраст дифракционной картины, - длина волны света, используемого источника освещения, L - расстояние от источника света до фотоприемника, s - расстояние между главными максимумами дифракционной картины.
Благодаря использованию интерференционно-дифракционной картины, соответствующей интерференции прошедшей волны света с волной, дифрагированной на объекте, удалось существенно повысить точность измерения за счет повышения соотношения сигнал-шум и снизить более чем в десять раз нижнюю границу диапазона измерения, т.к. в заявляемом способе проводится анализ контраста дифракционной картины, а не пороговых координат.
Для упрощения реализации способа в лабораторных условиях в качестве источника освещения объекта используют точечный монохроматический источник света.
Для исключения влияния внешних условий на точность измерения в качестве источника освещения объекта используют протяженный квазимонохроматический источник света (частично-когерентное освещение), который позволяет производить пространственную фильтрацию изображения соответствующим выбором угловых размеров источника излучения, значение которых задается диафрагмой и тем самым отрывает возможность для применения способа метода в заводских условиях.
Заявляемый способ позволяет производить высокоточные измерения диаметров сверхтонких нитей в широком измерительном диапазоне при достаточно простой оптической схеме, не требующей ввода дополнительных, вспомогательных элементов, что не имеет аналогов среди оптических бесконтактных методов измерения диаметров, а следовательно, соответствует критерию «изобретательский уровень».
Указанное выполнение способа позволяет существенно повысить точность измерения и снизить более чем в десять раз нижнюю границу диапазона измерения, что не имеет аналогов среди известных дифракционных способов контроля тонких нитей, а значит, соответствует критерию «изобретательский уровень».
На фиг.1 приведен рисунок устройства, поясняющего реализацию способа при монохроматическом освещении.
На фиг.2 приведен рисунок устройства, поясняющий реализацию способа при квазимонохроматическом (частично-когерентном) освещении.
На фиг.3 приведен рисунок типичной дифракционной картины, соответствующей указанному способу. Структуры дифракционных картин при монохроматическом точечном и квазимонохроматическом протяженном освещениях, в случае незначительных угловых размеров источника излучения, практически не различимы.
Устройство для реализации заявляемого способа содержит источник монохроматического точечного света 1, измеряемый объект 2, многоэлементный фотоприемник 5 и блок обработки измерительной информации 6.
Устройство (см.фиг.2) дополнительно содержит осветитель 7, содержащий источник квазимонохроматического света, диффузор 8, диафрагму 9.
Устройство (см. фиг.1) работает следующим образом. Пучок света от монохроматического точечного источника света 1 освещает контролируемое изделие 2. Вследствие дифракции света на объекте 2 на многоэлементном фотоприемнике 5 формируется дифракционная картина, представленная на фиг.3, которая возникает вследствие интерференции дифрагированной волны света 4 с проходящей волной света 3. Получаемое изображение объекта регистрируется фотоприемником 5 и поступает в блок обработки измерительной информации 6.
Устройство, представленное на фиг.2, работает аналогичным образом. Сфокусированный пучок света от источника 7 попадает на диффузор, на котором происходит рассеяние света, при этом диафрагма 9 выступает в качестве источника света, облучающего контролируемый объект 2, дифракционное изображение которого регистрируется многоэлементным фотоприемником 5 и поступает в блок обработки измерительной информации 6. Использование диффузора позволяет получить равномерный по пространству пучок света. Свет с диффузора 8 проецируется на диафрагму 9 (см.фиг.2), раскрытием которой задаются угловые размеры источника излучения. Это позволяет, в сравнении с теневым и дифракционным способами, производить пространственную фильтрацию оптического сигнала, при наличии пыли или других факторов.
Пример 1. На установке, представленной на фиг.1, габаритные размеры которой составили 180 мм × 50 мм × 50 мм, на расстоянии 40 мм от точечного источника монохроматического света (полупроводниковый лазер марки LDPM 12-655-3 с длиной волны =0.65 мкм) устанавливалась аттестованная вольфрамовая нить диаметром 13 мкм. Дифракционное изображение (фиг.3), формируемое вследствие интерференции дифрагируемой и проходящей волн света, регистрировалось многоэлементным линейным фотоприемником - ПЗС линейкой марки Toshiba TCD1304AP с размером пиксела 8 мкм × 200 мкм, расположенной на расстоянии 110 мм от контролируемого объекта. Расчет диаметра нити производился согласно формуле (1). При этом значения параметров системы составили I 0.1, L=150 мм, x 1.4 мм. Погрешность измерения не превысила 0.1 мкм.
Пример 2. На установке, представленной на фиг.2, габаритные размеры которой составили 200 мм × 50 мм × 50 мм, на расстоянии 50 мм от протяженного источника на базе светодиода (Paralight EP2012-150G1 длина волны =0.525 мкм), формируемого посредством ввода диффузора (матовый рассеватель) и прямоугольной диафрагмы с размером пропускающего отверстия 50 мкм, устанавливалась аттестованная вольфрамовая нить диаметром 88 мкм. Контроль нити осуществлялся в измерительном объеме 10×10 мм 2 . Дифракционное изображение (фиг.3), формируемое вследствие интерференции дифрагируемой и проходящей волн света, регистрировалось многоэлементным линейным фотоприемником - ПЗС линейкой (Toshiba TCD1304AP с размером пиксела 8 мкм × 200 мкм), расположенной на расстоянии 130 мм от контролируемого объекта. Расчет диаметра нити производился согласно формуле (1). При этом значения параметров системы составили I 0.7, L=180 мм, x 1.2 мм. Погрешность измерения не превысила 0.15 мкм.
Таким образом, заявляемый способ является наиболее применимым для контроля нитей накаливания в процессе их производства.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ измерения диаметра тонких протяженных нитей, включающий освещение нитей источником света, прием дифракционного изображения нитей путем регистрации интенсивности экстремальных точек дифракционной картины и его последующую обработку с вычислением диаметра нити, отличающийся тем, что прием дифракционного изображения нитей осуществляют путем регистрации интенсивности экстремальных точек дифракционной картины, возникающей в результате интерференции проходящей волны света с дифрагированной волной, соответствующей дифракции Фраунгофера, а обработку дифракционного изображения производят путем нахождения контраста дифракционной картины с вычислением диаметра по формуле
где I - контраст дифракционной картины, - длина волны света используемого источника освещения, L - расстояние от источника света до фотоприемника, s - расстояние между главными максимумами дифракционной картины.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что освещение объекта производят точечным монохроматическим источником света.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что освещение объекта производят протяженным квазимонохроматическим источником света.
В описании к шали указывается пряжа 18/2.Не могу найти сколько это будет в метрах/граммах?
http://www.sdelaysama.com/articles/nomer_pryaszi/
Номер характеризует в метрах длину нити, вес которой равен 1 грамму, а также показывает количество одинарных нитей, из которых скручена эта пряжа.
Например, для вышеупомянутой пряжи 32/2 (читается «тридцать два дробь два»): 2 после дроби означает число скрученных вместе одинарных нитей (именно оно подразумевается под термином «-ply»),
32 перед дробью означает длину одинарной нити, вес которой равен 1 г.
Итак, номер 32/2 означает, что 1 грамм одинарной нити имеет длину 32 метра, но т.к. пряжа скручена из 2 нитей, получается 16 м на 1 г, – или, переводя в более привычную нотацию, 1600м/100г.
Таким образом, пряжа номер 32/2, в общем, довольно тонкая.
Чтобы определить толщину, скажем, эквивалента пряжи 32/2 в три сложения, представьте, что вяжете одновременно от трѐх клубков по 1600м/100г (как оно и бывает на самом деле) – вес результирующего полотна будет равен 300 г, но длина потраченной нити составит те же 1600 м.
Теперь представьте, что вы распускаете связанное и сматываете пряжу обратно в клубки по 100 г –
уже не из одной ниточки, а из трѐх. У вас получится три клубка примерно по 533м/100г
На что обращать внимание при замене пряжи.
Не всегда удаѐтся купить пряжу, из которой связана модель в журнале. Большинство вязальщиц при
подборе аналогов учитывают в первую очередь соотношение длина/вес оригинальной пряжи и еѐ состав.
И тем не менее, порой, несмотря на, казалось бы, полное совпадение упомянутых характеристик оригинала и замены, плотность вязания новой пряжей всѐ равно отличается от требуемой, а при достижении оной полотно оказывается слишком плотным или, наоборот, слишком рыхлым.
Дело может быть не в вашей манере вязания (особенно если обычно вы с лѐгкостью попадаете в рекомендованные цифры), но в том, что крутка оригинальной пряжи отличается от той, которую купили вы. Например, оригинальная пряжа была спрядена в три нити (она имеет практически круглое сечение), а ваша – в две, поэтому в сечении она скорее овальная и еѐ поведение больше похоже на ленточную пряжу.
Или, скажем, вы не смогли найти пряжу нужной толщины и решили заменить еѐ более тонкой, чтобы вязать из неѐ в несколько сложений: допустим, в три нити 32/2 вместо пряжи 550м/100г, спряденной в три нити. Но так как ваши отдельные ниточки не скручены между собой, как в оригинальной пряже, они, опять-таки, ведут себя как ленточка.
Ну и, наконец, причина может быть в разной выделке: к примеру, пряжа с начѐсом вяжется на более
толстых спицах, чем гладкая пряжа той же длины.
Увы, сведения о крутке или выделке почти никогда не встречаются в инструкциях.
Некоторым ориентиром может служить сравнение рекомендованной плотности вязания для выбранной пряжи с
плотностью вязания для выбранной модели. К сожалению, этот совет не универсален: в инструкции может быть написала плотность узора, которым связана модель, а на этикетке, как правило, указывается плотность для лицевой глади, кроме того, некоторые производители пряжи вообще еѐ не указывают.
Как определить метраж неизвестной пряжи.
Возьмите пряжу (без этикетки) и обычную линейку.
Обмотайте пряжу вокруг линейки, располагая витки вплотную друг к другу, без перекрывания.
В зависимости от предполагаемой толщины пряжи посчитайте количество витков в 2,5, 5 и 7,5 см соответственно и разделите на число звѐзд.
{Звездочками обозначена видимая толщина нити (после названия в первой колонке). Т.е. если Ваша пряжа выглядит толстой, Вы наматываете витки на 7.5см, считаете и делите на 3 -- т.к. толстая пряжа отмечена тремя звездочками.
Это нужно для большей точности подсчетов. (По этой же причине плотность вязания считается в 10см, а не в 1.) http://zuikodelie.livejournal.com/172969.html}
Найдите результат во втором столбце. В остальных столбцах той же строки находится вся необходимая информация – кроме разве что рекомендаций по уходу.
Размер кольца соответствует его внутреннему диаметру. Поэтому, если у вас есть кольцо и вы просто не знаете его размер, достаточно измерить диаметр линейкой.
Способ 2
Ещё один вариант узнать размер с помощью имеющегося . Сохраните и распечатайте картинку и приложите украшение к окружностям. Та, которая совпадёт с внутренним диаметром, и подскажет размер.
Aliexhelp.ru
Важно: распечатывайте все картинки в оригинальном размере (не вписывая их в размер листа).
Способ 3
Возьмите тонкую полоску бумаги или обычную нитку. Оберните вокруг нижней фаланги пальца, ближе к суставу. Действуйте легко, без нажима, чтобы бумага или нитка могла скользить по пальцу.
В случае с бумагой отметьте место стыка ручкой. Затем отрежьте полоску по метке.
Если используете нитку, обмотайте её несколько раз, а затем разрежьте получившееся нитяное кольцо.
Распечатайте картинку ниже и приложите заготовку к контрольной линейке. Длина бумаги или нити должна соответствовать длине цветной полоски.
zolotoyvek.ua
Способ 4
Тот случай, когда вам пригодятся . Как вы помните, чтобы найти диаметр (размер кольца), нужно разделить длину окружности на число π.
Как применить эти знания в жизни
Повторите первый совет из предыдущего способа, затем с помощью линейки измерьте длину бумажной полоски или нити в миллиметрах. Разделите получившееся число на 3,14. Результат или ближайшее к нему значение (в соответствии с российской системой измерения) и будет искомым размером кольца.
Если деление даётся сложно, просто сверьтесь с таблицей. Слева указана длина нити или полоски, справа - соответствующий размер. Не забудьте округлить свой результат до ближайшего значения.
Длина, мм |
Размер кольца |
| 47,12 | 15 |
| 48,69 | 15,5 |
| 50,27 | 16 |
| 51,84 | 16,5 |
| 53,41 | 17 |
| 54,98 | 17,5 |
| 56,55 | 18 |
| 58,12 | 18,5 |
| 59,69 | 19 |
| 61,26 | 19,5 |
| 62,83 | 20 |
| 64,4 | 20,5 |
| 65,97 | 21 |
Способ 5
Распечатайте картинку, вырежьте заготовку, сделайте на ней разрез и вставьте в него конец линейки. Должно получиться бумажное кольцо. Отрегулировав его по пальцу, вы сможете узнать размер.
zolotoyvek.ua
- Если вы определяете размер для узкого кольца (до 5 мм в ширину), то полученный при измерении результат можно округлить до ближайшего значения. Для широкого кольца (от 6 мм) округляйте в большую сторону или прибавьте полразмера.
- Толщина пальцев в течение дня может меняться. Поэтому лучше сделать несколько замеров в разное время суток. Или один раз в середине дня: как правило, в это время человек находится на пике активности и баланс жидкости в организме оптимальный.
- Не занимайтесь измерениями после употребления большого количества жидкости, физических нагрузок или во время болезни. Также не стоит этого делать, если в помещении очень жарко или холодно.
Знаете другие способы определить размер кольца в домашних условиях? Расскажите о них в комментариях.
