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光学显微镜基础知识(历史、原理、结构、分类和使用)

日期:2019-09-17 18:16
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摘要:
 

光学显微镜基础知识(历史、原理、结构、分类和使用)

(一)放大镜的成像原理
  表面为曲面的玻璃或其他透明材料制成的光学透镜可以使物体放大成像,光路图如图1所示。位于物方焦点F以内的物AB,其大小为y,它被放大镜成一大小为y’的虚像A’B’
放大镜的放大率
Γ=250/f’
式中250--明视距离,单位为mm
f’--
放大镜焦距,单位为mm
该放大率是指在250mm的距离内用放大镜观察到的物体像的视角同没有放大镜观察到的物体视角的比值。

(二)显微镜的成像原理
  
显微镜和放大镜起着同样的作用,就是把近处的微小物体成一放大的像,以供人眼观察。只是显微镜比放大镜可以具有更高的放大率而已。
  图2是物体被
显微镜成像的原理图。图中为方便计,把物镜L1和目镜L2均以单块透镜表示。物体AB位于物镜前方,离开物镜的距离大于物镜的焦距,但小于两倍物镜焦距。所以,它经物镜以后,必然形成一个倒立的放大的实像A’B’A’B’位于目镜的物方焦点F2上,或者在很靠近F2的位置上。再经目镜放大为虚像A’’B’’后供眼睛观察。虚像A’’B’’的位置取决于F2A’B’之间的距离,可以在无限远处(当A’B’位于F2上时),也可以在观察者的明视距离处(当A’B’在图中焦点F2之右边时)。目镜的作用与放大镜一样。所不同的只是眼睛通过目镜所看到的不是物体本身,而是物体被物镜所成的已经放大了一次的像。

(三)显微镜的重要光学技术参数
  在镜检时,人们总是希望能清晰而明亮的理想图象,这就需要
显微镜的各项光学技术参数达到一定的标准,并且要求在使用时,必须根据镜检的目的和实际情况来协调各参数的关系。只有这样,才能充分发挥显微镜应有的性能,得到满意的镜检效果。
  
显微镜的光学技术参数包括:数值孔径、分辨率、放大率、焦深、视场宽度、覆盖差、工作距离等等。这些参数并不都是越高越好,它们之间是相互联系又相互制约的,在使用时,应根据镜检的目的和实际情况来协调参数间的关系,但应以保证分辨率为准。

1. 数值孔径
  数值孔径简写NA,数值孔径是物镜和聚光镜的主要技术参数,是判断两者(尤其对物镜而言)性能高低的重要标志。其数值的大小,分别标刻在物镜和聚光镜的外壳上。
  数值孔径(NA)是物镜前透镜与被检物体之间介质的折射率(n)和孔径角(u)半数的正弦之乘积。用公式表示如下:NA=nsinu/2
  孔径角又称"镜口角",是物镜光轴上的物体点与物镜前透镜的有效直径所形成的角度。孔径角越大,进入物镜的光通亮就越大,它与物镜的有效直径成正比,与焦点的距离成反比。
  
显微镜观察时,若想增大NA值,孔径角是无法增大的,唯壹的办法是增大介质的折射率n值。基于这一原理,就产生了水浸物镜和油浸物镜,因介质的折射率n值大于1NA值就能大于1
  数值孔径*大值为1.4,这个数值在理论上和技术上都达到了极限。目前,有用折射率高的溴萘作介质,溴萘的折射率为1.66,所以NA值可大于1.4
  这里必须指出,为了充分发挥物镜数值孔径的作用,在观察时,聚光镜的NA值应等于或略大于物镜的NA值。
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  数值孔径与其他技术参数有着密切的关系,它几乎决定和影响着其他各项技术参数。它与分辨率成正比,与放大率成正比,与焦深成反比,NA值增大,视场宽度与工作距离都会相应地变小。

2. 分辨率
  
显微镜的分辨率是指能被显微镜清晰区分的两个物点的*小间距,又称"鉴别率"。其计算公式是σ=λ/NA
式中σ为*小分辨距离;λ为光线的波长;NA为物镜的数值孔径。可见物镜的分辨率是由物镜的NA值与照明光源的波长两个因素决定。NA值越大,照明光线波长越短,则σ值越小,分辨率就越高。
要提高分辨率,即减小σ值,可采取以下措施

  1) 降低波长λ值,使用短波长光源。
2) 增大介质n值以提高NA值(NA=nsinu/2)。
3) 增大孔径角u值以提高NA值。
4) 增加明暗反差。

金相切割机的发展概况

金属零件的力学性能不仅与它的化学成分有关,也与它的金相组织密切相关。金相检验是控制和评定产品质量不可缺少的重要手段,是科学研究中研究新材料、新工艺和提高金属制品内在质量的重要方法。

   
要进行金相分析,就必须制备能用于微观检验的样品——金相试样。通常,金相试样的制备要经过取样、镶嵌、磨光和抛光几个步骤。每个步骤都应该细心操作,因为任何阶段上的失误都可能影响*后的结果,因为这可能会造成组织假象,从而得出错误的结论。金相试样的制备是通过切割机、镶嵌机、磨/抛光机来完成。金相试样的截取是金相试样制备过程中一个重要环节。截取试样的方法有手锯、锯床、砂轮切割机和线切割机等等。根据零件的形状和材料,选择适当的方法来切割。目前砂轮切割机广泛应用于金相试样的截取上,主要原因是其适应性强,树脂砂轮片可切割软的金属零件如铜、铝及合金和硬的金属零件如淬火后的碳钢、高速钢;金刚石切割机可切割超硬材料如硬质合金、陶瓷等。另外其切割速度快、劳动强度低、操作简便和切割成本低。选择可靠性高的金相试样切割机,可以提高制样效率和质量,降低成本,提高经济效益。

   
金相试样截取的技术要求

   
与机械行业中的金属切割、下料不同,金相试样的切割有它自身的要求和特点,截取的金相试样必须保持原有的组织状态,即必须保证所截取的试样的金相组织与原状态金相组织一致,这就要求:

   
在截取试样的过程中试样受热、受外力作用要尽量小;

   
配备良好的冷却系统,保证切口无过热和过烧现象;

   
**控制进给量的大小,保证试样变形小,光洁度高;

   
砂轮切割机应配备**的卡具和良好的运动机构,保证试样的切口垂直性好,切口余量小,零件装卡方便;

   
切割机应有良好的防护,保证使用安全。

   
作为室内使用的切割设备,切割机还必须具备较低的噪音,保证无噪音污染。配备循环冷却系统,注意节约用水和室内清洁。

   
金相试样切割质量的好坏严重影响试样的组织结构,已逐步引起有关专家的重视。近年来,国内外在切割机的性能上作了大量研究工作,研究出不少新机型,新一代切割设备,正由原来的手动操作,发展成为数显、数控及微电脑智能控制。下面介绍常用的砂轮切割机类型与特点。

    
金相切割机的分类与特点

   
根据工件移动和砂轮片移动形式可将金相切割机分为两类:一类为工件移动,砂轮轴旋转、但其位置固定的切割机;另一类为固定工件而砂轮轴作移动的切割机。按切割精度可分为普通切割机和精密切割机。

    1
移动工件,砂轮轴位置固定的切割机

    (1)
苏州欧卡精密光学仪器生产的QG-1型金相试样切割机配备1.1kW电机,采用<250mm砂轮片。特点是切割砂轮直接固定在电动机的轴上,利用夹具的摆动来切割固定在钳口中的试样。冷却系统是人工调整旋钮控制流量的单根水管。操作时,由罩壳将砂轮片罩住,以防冷却液飞溅和砂轮片碎裂时飞出伤人。此类切割机的特点是,电动机在底座上固定不动。砂轮转速固定,体积小,制造成本低,适用于切割30mm×30mm形状简单的柱形试样。

    (2)
太湖机械厂生产的JQ21型金相试样切割机配备2.2kW的电机,采用<250mm砂轮片。工件安装在工作台面上,通过工作台垂直和水平移动切割工件。*大切割尺寸75mm×300mm,工作台上下移动距离180mm,工作台左右移动距离300mm,砂轮转速3300r/min。此类设备类似于铣床,适应于切割块状零件,机械结构较复杂,造价较高。

    (3)
美国BUEHLER公司ISOMET型精密金相试样切割机可以**设定切割的时间、压力及速度,并在面板上显示出来;试样夹持机构具有压力传感器防止试样撞击锯片边缘,避免锯齿损坏;试样以很轻的初始负载自动送到旋转着的锯片;工作负载可预定在0.989.8N之间,切割完毕后,独特的传感机构使得试样夹持臂返回到原位置。该机有三种冷却方式,低速时,可利用冷却剂的滞动作用;速度较高时,可使用切割机自身的浸水泵冷却循环系统;切割硬质材料时速度很高,可连接一个外部供水排水装置,以达到*佳的冷却效果。Isomet1000型精密切割机,功率为0.93kW,切割过程采用弧形进刀方式,金刚石切割片直径<75mm<200mm,转速范围1005000r/min。可自动进料和受控进料,定位精度为2μm。该机特别适用于高速、高质量切割极硬材料小试件。

     2
固定工件,砂轮片移动的试样切割机

    (1)
苏州欧卡精密光学仪器生产的QG-1型金相试样切割机配备2.2kW电机,采用<250mm砂轮片。砂轮片固定在摆臂的主轴上,电机通过皮带带动主轴转动。零件用卡具固定在工作台上,摇动摆臂使砂轮片移动切割工件。砂轮片固定在摆臂上,排除了电机对切割零件的影响,可使零件的切割长度范围不受限制。如采用直径<250mm砂轮片,其*大切割直径<50mm,*大切割宽度60mm,*大切割高度80mm。用手动摆臂来决定切割进给量,若用力不均匀会造成质量差异。该机特点是,砂轮转速固定,额定转速为3500r/mm,装卡试样方便。

    (2)
河北农大机电新技术公司生产的Q2100型金相试样切割机,功率为2.2kW的电机,可以安装<250mm<300mm砂轮片,电机和砂轮轴支撑架安装在同一滑板上,手摇手轮或步进电机驱动滑板,从而实现手动或自动进刀和退刀运动。**采用内置式全方位循环冷却系统,使冷却液双向多孔喷射在砂轮片两侧,并利用砂轮片的旋转离心力将冷却液带入试样切口内,保证试样切割时不受热。汲取国外脉动进刀的优点,设计了进**一的程序,控制进刀过程,即切割3mm后,退回1mm的往复运动形式。特点是,砂轮片不易走斜和弯曲;试样切口光滑、平直;砂轮片不易磨损和破裂;冷却液更容易进入切口内,增加冷却效果;组织无变形和过热等现象。设计了无级调速进刀系统,可切割超硬材料和大型工件。退刀由行程开关控制快速退刀提高工作效率。采用全封闭自动切割方式,保证操作者安全工作。防护罩两端设有开合式窗口,使得切割工件长度无限制,并防止冷却液飞溅。如采用直径<300mm砂轮片,*大切割直径<80mm,*大切割宽度135mm,*大切割高度100mm。该机经改型设计,加大水箱和防护罩的尺寸,改变工作台面的位置,还可以切割汽车半轴和摇臂轴等不易切割的大型零件。

    (3)Buehler
公司生产的ABRASIMET-型切割机是将电机及底座、操作杆安装在同一轴线上,通过手动进行切割试件。切割过程采用弧形进刀方式。配备3kW电机和<254mm的切割片可切割直径为<76mm的试样。

    ABRASIMATIC
型自动砂轮片切割机配备液压气动驱动系统,切割力可调,自动操作。

    OSCILLAMET
型砂轮切割机配备2.2kW电动机和<305mm的切割片,可以切割长度达320mm,或95mm×102mm的大块试样。该机通过砂轮摆动使接触面积减至*小,以保证获得无过烧并提高切割能力,由于砂轮片可以垂直方向定位,还可切割曲轴。

    POWERMET2000
型砂轮切割机配备5.5kW电动机和<356mm的砂轮切割片,切割直径可达<102mm,或50mm×150mm。采用脉冲式切割方式,可以切割长样品,能编程,IC控制,自动切割。

    (4)STRUERS
公司生产的Labotom23型切割机,其机构与ABRASIMET2型切割机类似,切割*大直径达<90mm。这是在提高砂轮片强度的情况下,减小砂轮片夹片直径达到的。

    StruersExotom2100
型切割机属于工件固定,砂轮片摆动的机型。可以自动调整切割速度和压力,具有四种不同的切割控制方法。Axiocut切割方法可以切除较大的工件(100mm×450mm)

    Magnutom
型自动切割机也属于工件固定,砂轮片平行移动的机型,配备7.4kW电机和<432mm砂轮切割片,砂轮进给速度和压力可调,可根据需要调节步进切割量。*大切割直径<125mm

   
讨论

   
纵观国内外切割机的状况,国内研发的切割机在性能和外观等方面还存在一定的差距。例如,国内研制的切割机缺乏对砂轮轴调速的研究,国外的先进机型如Accutom25/50StruersDiscotom250Secomtom2100型配备了砂轮轴的无级调速系统,可使同一砂轮片切割不同的材料,提高砂轮片的适应能力。又如,一些切割机配备了切割参数的数据库,根据不同试件调整压力和切割速度,提高制样质量和效率。

   
砂轮片材质和质量对切割机的效率和切割质量也有较大的影响。对于切割不同硬度的材料,选用不同材质的切割片,对提高切割效率和切割质量非常有效。通常,棕刚玉适用于切割碳素钢、普通合金钢、硬青铜。白刚玉适用于切割合金钢、淬火钢、工具钢、高速钢。黑碳化硅适用于切割灰铸铁、黄铜和非金属材料。绿碳化硅适用于切割硬质合金和玻璃。金刚石适用于切割硬质合金、铸铁、玻璃、石英、半导体、陶瓷以及非碳化物的高硬度材料。立方氮化硼适应于切割硬质合金、淬火钢以及高硬度高强度材料。国外有可选的不同材质的树脂砂轮片,根据试样的不同材料和硬度进行选择。国内生产的金相砂轮片品种单一,基本以棕刚玉磨料的为主,质量也存在一定问题,普遍现象是粘合剂的韧性差,砂轮片比较脆。主要原因是受用量和价格等因素的影响。

   
我国金相试样制备的研究开发虽然已有几十年的历史,并已取得了一定的成绩,制约我国金相试样制备技术发展的因素主要有以下几个方面:

    (1)
我国目前还没有制定金相试样切割实验方法和标准,以及质量的测试指标和测试条件。各个生产研制单位,大多是根据自己实际检测经验对金相制样设备进行试验测定。

    (2)
缺乏懂金相知识与机械设计及其自动控制的综合性人才,这无形中增加了我国金相取样设备的研究和开发的难度。

    (3)
冶金、机械、汽车、拖拉机、兵器、航天航空、轴承、工磨具等制造行业中所需的金属材料类型多样化,由于各种金属材料的物理、化学等性能不一,使切割机在测定试验参数,确定*佳性能指标等方面有很大难度。

    (4)
国内的生产厂家因考虑价格和销路等因素,在优异产品投资较小。

   
结论

   目前金相切割设备形式多样,各种半自动化、自动化产品在各种规模,各种类型的企业实验室得到广泛应用,使操作者的工作量减少,制样效率提高。以微处理器为基础的各种制样设备代表着金相制备的先进技术,通过机电结合,软硬件结合及互补,增加柔性切割功能等方式改造传统的金相制样设备,获得手工操作难以实现的高精度、高性能和再现性好的金相试样