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Lic. LILI JANNET CARRASCO TUESTA

Responsable del Laboratorio de Longitud y Angulo

Servicio Nacional de Metrología

18 de Mayo del 2012

“Calibración de Reglas Clase I

por el Método Interferométrico Láser”

1

2SNM - Lic. Jannet Carrasco 2012-05-18

CONTENIDO1. Antecedentes

2. Concepto de interferometría

3. Interferómetro láser - SNM INDECOPI

4. Sistema de medición

4. Calibración

5. Estimación de la incertidumbre

• Las reglas clase I para ser calibradosrequieren de un sistema de medición con unalto nivel de exactitud y precisión.

• En el Servicio Nacional de Metrología delINDECOPI ha adquirido un sistema deinterferometría láser para poder brindar estetipo de servicio.


Antecedentes


• El sistema está integrado por una mezcla deelectrónica, programación de aplicaciones devisión (cámara), diseño mecánico, todo estoadaptado en una maquina universal delongitudes (MUL)


Por que la luz es como una regla con pequeñas divisiones

λ ~0,5 m

Porque medir con luz ?

Mediciones por encima de ~ 1 000 m (1 km)

Alta exactitud y versatilidad


¿ Qué entendemos por sistema Interferométrico Láser ?Cualquier equipo usado para medición de

desplazamiento basado en interferencia de luz láser.

LASERLight Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Amplificación de luz por emisión estimulada de radiación

Es una tecnología que permite medir la distanciacontando el número de las franjas deinterferencia sobre un rayo de luz LASERdurante el movimiento de un espejo reflectoren una distancia dada.


¿Qué es la interferometría Láser?

f1

divisor de haz

prisma triedro (reflector)

f1f2

f2


SISTEMA INTERFEROMETRICO LASER


SISTEMA INTERFEROMETRICO LASER SNM - INDECOPI

Marca: Agilent Technologies (HP)Modelo: 5530

Cabeza láserModelo: 5519A

Longitud de onda nominal: 932,9913540 nm

Certificado de Calibración trazable al CEM N° 112226001

Longitud de onda en el vacío632,991 371 12 nm ( ± 5,1 fm, k = 2)

Error del sistema en la medida de distancias de -4,09 x 10-7 L, con incertidumbre expandida de U = 2 ((0,04)2 + (4,1 x 10 -7 L)2)1/2


CARACTERISTICAS TECNICAS


Sistema automatizado con InterferometríaLáser para calibración de reglas clase I

Calibración de reglas por comparaciónusando un sistema interferométrico láser.


Objetivo

Este procedimiento se aplica a reglas clase I con alcance de indicación hasta 1 000 mm.


Campo de Aplicación

La calibración se basa en ladeterminación del error por elprincipio de comparación entre laindicación de la regla y la indicación deun sistema interferométrico.


Fundamento del Método

Sistema interferométrico con alcance demedición hasta 1 m, incluye un láser deHe-Ne, un interferómetro, unretroreflector, un sensor de condicionesambientales y un sensor de temperaturade materiales.


INSTRUMENTOS Y EQUIPOS DE MEDICIÓN

Temperatura ambiente : 20 °C ± 2 °C

Variación de temperatura : Menor a 1 °C/h


Condiciones de calibración


• Realizar una limpieza de la regla a calibrar I• Inspección visual• Estabilidad térmica no menos de 3 h• Interferómetro láser deberá mantenerseprendido no menos de una hora• Registrar todos los datos y observacionescorrespondientes

Procedimiento de Calibración

Consideraciones generales

Comprobación de buena operatividad del sistema interferométrico


• Seguir las instrucciones y recomendaciones dadas en el manual del fabricante• Partes ópticas estén alineadas con el cabezal laser • Alinear con la cámara de video

Consideraciones generales


Seleccionar no menos de diez puntos de calibración

Colocar la regla sobre la bancada de acero y ajustar la altura de la cámara hasta que se visualice la escala de la regla de forma clara

Realizar la medición en el cero y luego desplazarse hasta el próximo valor deseado

Considera el centro de la línea de la escala en la regla, para ello se registran 5 mediciones en un extremo y luego 5 mediciones más en el extremo opuesto. El valor se considera el promedio de ambos.

Procedimiento de calibración

Repetir el paso anterior para los 10 valores deseados.

La diferencia entre la indicación de la regla y del interferómetro dará el error de indicación de la regla.



Para determinar el valor del error de indicación se utiliza el siguiente modelo matemático :

… ( 1 )Donde :

Error de indicaciónValor de indicación de la regla calibradaValor de indicación del interferómetro láser

LR IIE

ERILI

Estimación de la Incertidumbre de la Medición


Luego: : Esta dado por los siguientes términos los

cuales debemos tener en cuenta:….. ( 2 )

Donde:

: Indicación nominal de la regla: Coeficiente de expansión térmico promedio del

bloque y del reloj comparador: Variación de temperatura del bloque y del

comparador respecto a la temperatura dereferencia.

NRNRR III

RI

RI

t


: Se calcula mediante la siguiente ecuación:

Donde, las lecturas representas a los bordes de los trazos (siendo la primera y la segunda el trazo de cero), gráficamente se tiene que:

Siendo j = 3; 5; 7;…; 2n-1 ; y k = 4; 6; 8; … ; 2n; donde n es el número de puntos considerados. Los valores 1 y 2 representan a la marca de cero en la regla.

LI

2212 llll

I jkL


Donde:

: Valor promedio de la indicación: Contribución debida a la calibración del interferómetro.: Contribución debida a la deriva del interferómetro.: Corrección debida al error en la alineación respecto al eje de medición.

: Contribución debida a la división de escala del interferómetro.: Contribución debida al posible error de abbe de la alineación de la regla con la cámara.

: Contribución debida al posible error de enrase.

iI

certI

alineaciónI

escaladivI .

abbeI

enraseI

derivaI

enraseabbeescaladivalineaciónderivacertii IIIIIIII

.


Incertidumbre estándar e incertidumbre expandida

El modelo que describe la medición está representado en la ecuación ( 1 ) que puede ser expresado en su forma funcional como:

…. ( 3 )

A partir de (3) tenemos que la incertidumbre estándar combinada del error de indicación E está dada por:

…. ( 4 )

y simplemente sustituyendo las variables de influencia en lugar de xi en la ecuación (4), la incertidumbre estándar combinada se escribe:

)()( 22

1

2i

N

i ixu

xfEu

c

);;;;;;;;( . tIIIIIIIfE enraceabbeescaladivalineaciónderivacertL


y simplemente sustituyendo las variables de influencia en lugar de xi en la ecuación (4), la incertidumbre estándar combinada se escribe:

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22

22

22

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.2

2

.

22

22

22_

2

2

2

tut

fufIuI

fIuIfIu

If

IuI

fIuI

fIuIfIu

I

fEu

enraseenrase

abbeabbe

escaladivescaladiv

alineaciónalineación

derivaderiva

certcert

L

L

c


Reemplazando en la relación ( 5 ) se tiene :

Se determinarán cada uno de los términos de incertidumbre mostrado en (6)

)6..().........()()()()()()()(21

)()()()()()()()()(21)(

22221_

22_

2_

2_

22

2.

2222_

12

_

22

_2

_2

22

tuLutLIuIuIuIu

IuIuIuIuIuIuIuIuIuEu

NRNRenraceenracejenracekenrace

abbeescaladivalineaciónderivacertjkc


Reemplazando términos en ( 6 ) se tiene :

Por lo tanto la incertidumbre expandida para el valor del error de indicación de la regla en el alcance de indicación L estará dada por:

….. ( 21 )

)20.....(332

/3

)()(

310*1*2)(

666621

32

32323)()()()(

21)(

22222*2

2162

21_

22_

2_

2_

22

2.

222.

21

22

2222

derttcertf

enraseenrasejenrasekenraseabbe

escaladivalineaciónderivaLaserIntjkc

Utmdtk

tULCtL

IIIII

IIIk

UnIS

nIS

n

IS

nISEu

)(*)( EukEU c


Ejemplo de estimación de la incertidumbre en la calibración de

reglas (utilizando un sistema interferométrico).

34

1 Regla1.1 Longitud máxima 1000 mm

2 Temperatura2.1 Variación de temperatura 0,330000 °C

2.2 Coeficiente de expansión térmica 0,000012 1/°C

2.3 Incertidumbre del coeficiente de expansión térmica 0,000001 1/°C

2.4 Resolución termómetro 0,010000 °C

2.5 Incertidumbre del termómetro 0,017000 °C

2.6 Deriva del termómetro 0,100000 °C

3 Interferómetro3.1 Resolución del interferómetro 0,000010 mm

3.2 Repetibilidad 1 0,001685 mm

Repetibilidad 2 0,003043 mm

Repetibilidad j 0,016464 mm

Repetibilidad k 0,014769 mm

3.3 Incertidumbre del interferómetro 0,000001 mm

3.4 Deriva del interferómetro 0,000400 mm

4 Sistema4.1 Angulo de coseno 0,004000 °

4.2 Altura entre la regla y la cámara 25 mm

4.3 Angulo de la cámara 0,000200 °

4.4 Enrase 1 0,004472 mm

Enrase 2 0,008296 mm

Enrase j 0,039194 mm

Enrase k 0,035719 mm

Datos de entrada para la estimación de la incertidumbre en la calibración de reglas utilizando un interferómetro

35

Magnitud Función Incertidumbre Coef. De Contribucion Peso en (Fuente de Densidad de Tipica Sensibilidad a Porcentaje

Incertidumbre) Probabilidad Incertidumbre ( % )

Desv. Est. 1 NORMAL 0,00075363 0,5 0,000377 0,09

Desv. Est. 2 NORMAL 0,00136068 0,5 0,000680 0,29

Desv. Est. J NORMAL 0,00736271 0,5 0,003681 8,54

Desv. Est. K NORMAL 0,00660475 0,5 0,003302 6,87

Cert. de patrón NORMAL 0,00000050 1 0,000001 0,00

Deriva de patrón RECTANGULAR 0,00023094 1 0,000231 0,03

Div. de escala RECTANGULAR 0,00000289 1 0,000003 0,00

Coseno RECTANGULAR 0,00230937 1 0,002309 3,36

Abbe RECTANGULAR 0,00144338 1 0,001443 1,31

Enrase 1 RECTANGULAR 0,00182586 0,5 0,000913 0,53

Enrase 2 RECTANGULAR 0,00338678 0,5 0,001693 1,81

Enrase j RECTANGULAR 0,01600094 0,5 0,008000 40,33

Enrase k RECTANGULAR 0,01458226 0,5 0,007291 33,49

Coef. RECTANGULAR 0,00000082 330 0,000269 0,05

Var temp RECTANGULAR 0,19928351 0,0115 0,002292 3,31

E 0,012599 100,00

U 25

ESTIMACION DE LA INCERTIDUMBRE DE CALIBRACION DE REGLAS UTILIZANDO UN INTERFEROMETRO


INDICACIONDE LA REGLA

( mm )

ERRORENCONTRADO

( µm )

ERROR MAXIMOPERMISIBLE

CLASE I( ± mm )

0 0 0,2

20 -23 0,2

40 -32 0,2

60 -19 0,2

80 -4 0,2

100 -25 0,2

200 4 0,2

400 -38 0,2

600 -21 0,4

800 11 0,4

1000 -19 0,4

Incertidumbre de medición: 25 µm

Presentación de Resultados


Error de Indicación de la Regla

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

200 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Indicación de la Regla ( mm )

Erro

r Enc

ontr

ado

( µm

)


MUCHAS GRACIAS

Lic. Lili Jannet Carrasco Tuesta

Responsable del Laboratorio de Longitud y Angulo

SNM-INDECOPI

Tel.: (51-1) 224-7800 anexo [email protected]

“calibración de reglas clase i por el método ...€¦ · • realizar una limpieza de la regla...

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