Metrologia Optica E Instrumentacion Basica

Introducción a la Óptica

La parte de la física que estudia la luz recibe el nombre de óptica. La luz estaba considerada, hasta la mitad del siglo XVII como una corriente de corpúsculos. Huygens fue el primero en afirmar que la luz era una onda: suponía que era un movimiento ondulatorio de tipo mecánico (como el sonido) que se propaga en un supuesto medio elástico que llena todo y que se conocía con el nombre de éter.

El hecho real es que la luz parecía presentar características corpusculares al tiempo que ondulatorias. Maxwell, en 1873, contribuyó decisivamente a la teoría ondulatoria demostrando que la luz no era otra cosa que una onda electromagnética.

La óptica es la ciencia de controlar la luz. La luz es parte de un tipo de energía llamada “radiación electromagnética” (EM). La luz es la parte de las ondas EM que podemos ver y forma los colores del arcoíris.

Hablando más formal, la óptica es el campo de la ciencia y la ingeniería que comprende los fenómenos físicos y tecnologías asociadas con la generación, transmisión, manipulación, uso y detección de la luz.

La luz (viaja a 300 000 km/seg) es una onda electromagnética, esto significa que es una combinación de una onda eléctrica y una onda magnética (y una onda electromagnética viaja a la velocidad de la luz).

El estudio de la óptica se puede dividir en tres partes:

1.- Óptica geométrica. Utiliza el método de los rayos luminosos.

2.- Óptica física. Trata la luz considerada como un movimiento ondulatorio.

3.- Óptica cuántica. Se refiere a las interacciones entre luz y las partículas atómicas.

Óptica Geométrica:

Se ocupa de los fenómenos de radiación luminosa en los medios homogéneos, sin considerar su naturaleza u origen.

La óptica geométrica estudia los fenómenos que se producen cuando un haz de radiación luminosa incide sobre cuerpos transparentes u opacos, o interfiere con otras radiaciones luminosas. Su teoría, que es de origen geométrico, presupone que la luz se propaga en línea recta en un medio homogéneo.

El concepto básico con que opera la óptica geométrica es el rayo luminoso, que, como veremos, da solo una descripción aproximada del camino que la luz sigue en el espacio, pero para muchos fines prácticos esa aproximación es suficiente.

Siendo un rayo luminoso un concepto geométrico. No se puede reproducir en un laboratorio, pero hacemos uso de una fuente de rayo paralelo y, limitado de esta porción, de tal manera que se deje pasar un haz cilíndrico de luz, se pueden reproducir casi todos los resultados teóricos con una aproximación.

Óptica Física:

Estudia la velocidad, la naturaleza y las características de la luz.

La óptica física es la rama de la óptica que toma la luz como una onda y explica algunos fenómenos que no se podrían explicar tomando la luz como un 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.

Instrumentos Ópticos:

Los instrumentos ópticos son una aplicación de los espejos y las lentes a la formación de imágenes más grandes, más pequeñas, más próximas o más alejadas de un objeto.

Los instrumentos ópticos se clasifican de acuerdo con la imagen producida, según sea real o virtual.

Los instrumentos que forman imágenes reales se denominan objetivos y no necesitan del ojo humano para observar la imagen del objeto. Los instrumentos de este tipo más importantes son instrumentos de proyección, como la cámara fotográfica o los diversos proyectores de cine, de diapositivas, de vídeo, el retroproyector o el episcopio.

Los instrumentos que forman imágenes virtuales se denominan subjetivos y necesitan del ojo humano para observar la imagen del objeto. El ojo puede sustituirse por una cámara fotográfica o de grabación. Los instrumentos de este tipo más importantes son instrumentos de observación, como la lupa, el microscopio o el telescopio.

El ojo se puede considerar como un instrumento óptico que produce una imagen real sobre la retina.

Existen una gran cantidad de instrumentos de medida que utilizan combinaciones de lentes y espejos, como los telémetros, goniómetros, teodolitos y otros instrumentos de metrología.

El aumento de los instrumentos ópticos que forman imágenes reales viene dado por la relación entre el tamaño de la imagen y la del objeto, pero en los que forman imágenes virtuales se da como la relación entre el tamaño de las imágenes formadas en la retina con instrumento óptico y sin instrumento óptico.

Para nosotros los seres humanos es muy importante controlar la luz, ya que los usos que le hemos dado son tan variados, como:

 Lentes de contacto

 Fotocopiadoras

 Microscopios y lupas

 Proyectores

 Reproductores de cd

 Rayos X

 Laser (Luz Amplificada por Efecto de Radiación Estimulada)

Otros instrumentos ópticos son:

 Lentes de aumento

 Telescopio

 Cámara fotográfica

La flexibilidad es el tema clave en la tecnología de multisensores. La flexibilidad en el mundo de la metrología significa tener la libertad de elegir entre medición por contacto y medición óptica, con sólo un sistema de medición. Por lo tanto, un único sistema es suficiente para la medición por contacto y la medición óptica de todas las características de inspección en una pieza de trabajo.

Para la medición de materiales sensibles al tacto, la solución ideal son los sistemas de medición óptica. Estos sistemas miden de forma no destructiva y con precisión. Gracias al versátil rango de sistemas de medición ópticos disponemos de la solución correcta para cada tarea de medición.

Espejo: Dispositivo óptico, generalmente de vidrio, con una superficie lisa y pulida, que forma imágenes mediante la reflexión de los rayos de luz. Además de su uso habitual en el hogar, los espejos se emplean en aparatos científicos; por ejemplo, son componentes importantes de los microscopios y los telescopios.

Prisma (Óptica): Bloque de vidrio u otro material transparente que tiene la misma sección transversal en toda su longitud. Los dos tipos de prisma más frecuentes tienen secciones transversales triangulares con ángulos de 60 o de 45º. Los prismas tienen diversos efectos sobre la luz que pasa a través de ellos.

Fibra Óptica: Fibra o varilla de vidrio u otro material transparente con un índice de refracción alto que se emplea para transmitir luz. Cuando la luz entra por uno de los extremos de la fibra, se transmite con muy pocas pérdidas incluso aunque la fibra esté curvada.

Microscopio: Cualquiera de los distintos tipos de instrumentos que se utilizan para obtener una imagen aumentada de objetos minúsculos o detalles muy pequeños de los mismos. El tipo de microscopio más utilizado es el microscopio óptico, que se sirve de la luz visible para crear una imagen aumentada del objeto.

Telescopio: Es un instrumento óptico empleado para observar objetos muy grandes que se encuentran a muy lejanas distancias como por ejemplo estrellas, cometas, planetas, entre otros.

Cristal: Porción homogénea de materia con una estructura atómica ordenada y definida y con forma externa limitada por superficies planas y uniformes simétricamente dispuestas. Los cristales se producen cuando un líquido forma lentamente un sólido; esta formación puede resultar de la congelación de un líquido, el depósito de materia disuelta o la condensación directa de un gas en un sólido.

Interferómetro: Instrumento que emplea la interferencia de ondas de luz para la medida ultra precisa de longitudes de onda de la luz misma, de distancias pequeñas y de determinados fenómenos ópticos.

Red De Difracción: Dispositivo óptico empleado para separar las distintas longitudes de onda (colores) que contiene un haz de luz. El dispositivo suele estar formado por una superficie reflectante sobre la que se han trazado miles de surcos paralelos muy finos.

Un CD-ROM crea un patrón de difracción por reflexión. Por su construcción tiene similitudes con las redes de difracción. En la foto se pueden apreciar los dos primeros órdenes de difracción.

Espectroheliógrafo: Elemento importante del equipo utilizado en astronomía para fotografiar las protuberancias del Sol, como la fotosfera y la cromosfera. El espectroheliógrafo, junto con un telescopio, fotografía el Sol en luz monocromática.

Instrumentos Mecánicos:

Son los instrumentos de medición que deben ser manipulados físicamente por el inspector. Los dispositivos mecánicos pueden ser de pasa-no pasa o variables.

Los instrumentos mecánicos cada día son remplazados por electrónica que nos permite tener una mejor resolución y evitan errores de paralaje. Sin embargo hoy por hoy constituyen una alternativa económica en algunos casos.

Dicho tipo de instrumentos están constituidos por todos aquellos que se valer de una medición directa a través de un mecanismo, que nos permita tomar la lectura del valor directamente de dicho instrumento, tales como:

a) Micrómetros

b) Vernier

c) Durómetros

d) Indicadores de carátula

e) Palpadores

f) Tensiómetros

Medición con reglas: Las herramientas de medición más comunes en el trabajo del taller mecánico es regla de acero. Se emplea cuando hay que tomar medidas rápidas y cuando no es necesario un alto grado de exactitud. Las reglas de acero, en pulgadas, están graduadas en fracciones o decimales; las reglas métricas suelen estar graduadas en milímetros o en medios milímetros. La exactitud de medida que se toman depende de las condiciones y el uso correcto de la regla.

Regla de acero: Se fabrican en una gran variedad de tipos y tamaños, adecuados a la forma o tamaño de una sección o longitud de una pieza. Para satisfacer los requisitos de pieza que se produce y se va a medir, hay disponibles reglas graduadas en fracciones o decimales de pulgadas o en milímetros. Los tipos de reglas más utilizados en el trabajo del taller mecánico son:

a) Regla rígida de acero templado. Generalmente tiene 4 escalas, 2 en cada lado; se fabrican en diferentes longitudes, la más común es de 6 pulgadas o 150 mm.

b) Regla flexible, similar a la anterior pero más estrecha y delgada, lo que permite flexionar, dentro de ciertos límites, para realizar lecturas donde la rigidez de la regla de acero templado no permite medición adecuada.

Lainas (Medidores de espesores): Estos medidores consisten en láminas delgadas que tienen marcado su espesor y que son utilizadas para medir pequeñas aberturas o ranuras. El método de medición consiste en introducir una laina dentro de la abertura, si entra fácilmente se prueba con la mayor siguiente disponible, si no entra vuelve a utilizarse la anterior.

Patrones de radio: Estos patrones consisten en una serie de láminas marcadas en mm con los correspondientes radios cóncavos y convexos, formados en diversas partes de la lámina.

La Inspección se realiza determinando que patrón se ajusta mejor al borde redondeado de una pieza; generalmente los radios van de 1 a 25 mm en pasos de 0.5 mm.

Calibres Angulares: Estos calibres cuentan con láminas que tienen diferentes ángulos para cubrir las necesidades de medición de chaflanes externos o internos, inspección de ángulos de ruedas de esmeril o cortadores.

Cuentahílos: Los cuentahílos consisten en una serie de láminas que se mantienen juntas mediante un tornillo en un extremo, mientras que el otro tiene salientes que corresponden a la forma de la rosca de varios pasos (hilos por pulgada); los valores están indicados sobre cada lámina.

Patrones para alambres, brocas y minas: Los patrones para brocas sirven para determinar el tamaño de estas al introducirlas en un agujero cuyo tamaño está marcado a un lado o para mantener en posición vertical un juego de brocas. El cuerpo del patrón tiene grabadas indicaciones sobre el tamaño de brocas recomendable para un tamaño de rosca determinado. Esta característica permite elegir rápidamente broca adecuada.

Compases: Antes de que los instrumentos como el calibrador vernier fueran introducidos, las partes eran medidas con compases (interiores, exteriores, divisores, hermafroditas) y reglas. Para medir un diámetro exterior la parte es puesta entre las puntas de los compas y luego las puntas de los compas son colocadas sobre una regla para transferir la lectura. En otra aplicación las puntas de los compas de exteriores se separan una distancia específica utilizando una regla, entonces las partes son maquinadas hasta que la punta de los compas se desliza justamente sobre la superficie maquinada.

Medidores de Presión:

Los medidores de presión son instrumentos de precisión fabricados para medir la presión sanguínea, la presión de líquidos y gases en tuberías o tanques de almacenamiento y la presión atmosférica, a grandes rasgos, teniendo para cada uso diversos equipos disponibles de acuerdo a las necesidades.

Dependiendo de las aplicaciones de los medidores de presión, son las unidades disponibles para sus resultados, además de que algunos reciben nombres diferentes dependiendo también del tipo de presión que van a medir.

Manómetro de tubo de Bourdon: Este medidor de presión tiene una amplia variedad de aplicaciones para realizar mediciones de presión estática; es barato, consistente y se fabrica en diámetros de 2 pulgadas (50 mm) en caratula y tienen una exactitud de hasta 0.1% de la lectura a escala plena; con frecuencia se emplea en el laboratorio como un patrón secundario de presión.

Manómetro de tubo abierto: Un aparato muy común para medir la presión manométrica es el manómetro de tubo abierto. El manómetro consiste en un tubo en forma de U que contiene un líquido, que generalmente es mercurio. Cuando ambos extremos del tubo están abiertos, el mercurio busca su propio nivel ya que se ejerce una atmósfera de presión sobre cada uno de ellos. Cuando uno de los extremos se conecta a una cámara presurizada, el mercurio se eleva hasta que las presiones se igualan.

El manómetro se usa con tanta frecuencia en situaciones de laboratorio que la presión atmosférica y otras presiones se expresan a menudo en centímetros de mercurio o pulgadas de mercurio.

Barómetros: Los medidores de presión más conocidos son los barómetros, ya que son utilizados para medir la presión atmosférica como un indicador de los cambios climáticos en cualquier región. Lo que realmente hacen estos barómetros es medir cual es la presión ejercida por el peso de la atmosfera por unidad de superficie, dependiendo del sistema de medición que se utilice. Las diferentes dimensiones utilizadas para la presión atmosférica comprenden los kilogramos por centímetro cuadrado, libras por pulgada cuadrada, milímetros de mercurio y atmósferas, entre otros.

Barómetro de mercurio: Un barómetro de mercurio ordinario está formado por un tubo de vidrio de unos 850 mm de altura, cerrado por el extremo superior y abierto por el inferior. Cuando el tubo se llena de mercurio y se coloca el extremo abierto en un recipiente lleno del mismo líquido, el nivel del tubo cae hasta una altura de unos 760 mm por encima del nivel del recipiente y deja un vacío casi perfecto en la parte superior del tubo. Las variaciones de la presión atmosférica hacen que el líquido del tubo suba o baje ligeramente; al nivel del mar no suele caer por debajo de los 737 mm ni subir más de 775 mm. Cuando el nivel de mercurio se lee con una escala graduada denominada nonius y se efectúan las correcciones oportunas según la altitud y la latitud, la temperatura, la lectura de un barómetro de mercurio puede tener una precisión de hasta 0,1 milímetros.

Barómetro Aneroide: Un barómetro más cómodo, y casi tan preciso es el llamado barómetro aneroide, en el que la presión atmosférica deforma la pared elástica de un cilindro en el que se ha hecho un vacío parcial, lo que a su vez mueve una aguja. A menudo se emplean como altímetros (instrumentos para medir la altitud) barómetros aneroides de características adecuadas, ya que la presión disminuye rápidamente al aumentar la altitud. Para predecir el tiempo es imprescindible averiguar el tamaño, forma y movimiento de las masas de aire continentales; esto puede lograrse realizando observaciones barométricas simultáneas en una serie de puntos distintos. El barómetro es la base de todos los pronósticos meteorológicos.

Medidores de torsión:

La torsión es el proceso que se produce cuando a una barra cilíndrica (un hilo, o un alambre, etc.) fija por un extremo se le aplica un par de fuerzas, de tal forma, que los distintos discos horizontales en que podemos considerar dividida la barra se deslizan unos respecto a otros. Una generatriz de la barra pasa a ser una hélice.

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.

Torquímetro: Herramienta muy utilizada en la reparación de automotores. Es una herramienta para medir el torque (fuerza de palanca) en Kg/m o en Lb/f. También conocida como llave dinamométrica o tensiómetro. Sirve para ajustar por lo regular para ajustar tornillos de la cabeza del motor.

Medidores de esfuerzos mecánicos:

Las propiedades mecánicas de los materiales nos permiten diferenciar un material de otro ya sea por su composición, estructura o comportamiento ante algún efecto físico o químico, estas propiedades son usadas en dichos materiales de acuerdo a algunas necesidades creadas a medida que ha pasado la historia, dependiendo de los gustos y propiamente de aquella necesidad en donde se enfoca en el material para que este solucione a cabalidad la exigencia creada.

La mecánica de materiales estudia las deformaciones unitarias y desplazamiento de estructuras y sus componentes debido a las cargas que actúan sobre ellas, así entonces nos basaremos en dicha materia para saber de que se trata cada uno de estos efectos físicos, aplicados en diferentes estructuras, formas y materiales. Esta es la razón por la que la mecánica de materiales es una disciplina básica, en muchos campos de la ingeniería, entender el comportamiento mecánico es esencial para el diseño seguro de todos los tipos de estructuras.

Se denomina dinamómetro a un instrumento utilizado para medir fuerzas. El dinamómetro tradicional, inventado por Isaac Newton, basa su funcionamiento en la elongación de un resorte que sigue la ley de Hooke en el rango de medición. Al igual que una báscula con muelle elástico, es una balanza de resorte, pero no debe confundirse con una balanza de platillos (instrumento utilizado para comparar masas).

Estos instrumentos constan de un muelle, generalmente contenido en un cilindro que a su vez puede estar introducido en otro cilindro. El dispositivo tiene dos ganchos o anillas, uno en cada extremo. Los dinamómetros llevan marcada una escala, en unidades de fuerza, en el cilindro hueco que rodea el muelle. Al colgar pesos o ejercer una fuerza sobre el gancho exterior, el cursor de ese extremo se mueve sobre la escala exterior, indicando el valor de la fuerza.

Cualquier pieza en el planeta, está sometida a esfuerzos que existen en nuestro entorno. Un gancho en una pared, estará sometido a un tipo de esfuerzo por el tornillo que lo aprieta contra la pared, y sometido a otro esfuerzo diferente la bolsa por el pan duro que cuelga de ella. Un banco de madera sufrirá un tipo de esfuerzo en su estructura al sentarse una persona en él y otro tipo de esfuerzo en sus patas en contacto con el suelo.

Los esfuerzos son 5 y todos se suelen encontrar en combinaciones cuando una pieza está sometida a un sólo esfuerzo, se pueden simular con las manos y un trozo de goma cada uno de los esfuerzos para ayudar a entenderlos:

1.- Tracción o tensión: Un cuerpo está sometido a un esfuerzo de tracción, cuando sobre él actúan dos fuerzas con direcciones opuestas, de manera que lo estiran. Se coge e la goma por cada extremo y se estira en direcciones totalmente opuestas desde los extremos, pretendiendo separarlos más o alargarla. Por citar algunos ejemplos de piezas sometidas a tracción, los tornillos que sujetan una lámpara del techo y el caso más típico es el de cualquier cable o cuerda estirada por los extremos (aunque no sea fijo).

2.- Compresión: Un cuerpo está sometido a un esfuerzo de compresión, cuando sobre él actúan dos fuerzas con direcciones opuestas, de manera que lo aplastan. Se toma la goma por cada extremo e intentamos aplastarla. Ejemplos de compresión existen muchísimos, las patas de la silla en la que se está sentado o en el cilindro que existe entre el asiento y las ruedas, las paredes y columnas que sostienen las casas, etc.

3.- Cortadura: Un cuerpo está sometido a un esfuerzo de cortadura, cuando sobre él actúan dos fuerzas con direcciones opuestas, que intentan reducir su medida en la dirección de la fuerza. Se coloca la goma, y simulando unas tijeras se trata de cortarla. Ejemplo clásico de cortadura es el ya citado de las tijeras o el de los tornillos que soportan el cortinero (horizontal) cogido entre dos columnas o paredes, así la barra que soporta la ropa de un ropero.

4.- Flexión: Un cuerpo está sometido a un esfuerzo de flexión cuando sobre él actúa una fuerza que produce una deformación a lo largo de su eje. Con la goma, sosteniéndola por un extremo, sobre el otro la empujamos hacia abajo. Son muy comunes en el día a día, si nos sentamos en un banco del parque, las maderas aguantadas en sus extremos se flexionarán longitudinalmente debido al peso corporal.

5.- Torsión: Un cuerpo está sometido a un esfuerzo de torsión, cuando al menos en uno de sus extremos actúa una fuerzo que hace rotar la pieza sobre su propio eje. Este es un esfuerzo está presente siempre; desde los ejes de una máquina como un automóvil, hasta el girar del picaporte para abrir una puerta.

Medidores de dureza:

La dureza es una medida de la resistencia de un material a deformarse cuando una fuerza o carga externa se aplica al material. Hay di- versas escalas de dureza que usan diferentes métodos de aplicación de fuerza y cuantificación de la resistencia a la deformación. La dureza está estrechamente correlacionada a otras características mecánicas. Es como muchas otras características mecánicas, un valor relativo que no tiene una cantidad fundamental o absoluta normalizada y es diferente de cantidades físicas tales como la longitud, el tiempo y la fuerza. Por esto los valores de dureza se determinan usando una máquina de ensayo estándar bajo condiciones normalizadas.

Las escalas más populares de hoy son las de dureza Brinell (HB), dureza Vickers (HV), du- reza Rockwell (HR), dureza superficial Rockwell (HR) y la dureza Knoop (HK). Todos los probadores de dureza determinan la dureza del área de la indotación hecha en un espécimen por el penetrador bajo una carga conocida.

Dureza Micro-Vickers: La dureza Micro-Vickers se utiliza para determinar la dureza de los siguientes materiales.

1.- Sellos de circuitos integrados, aceros, meta- les no ferrosos.

2.- Plástico delgado, láminas metálicas, niquela- do, recubrimientos, capas de superficie, metales laminados.

3.- Efecto del tratamiento térmico y profundidades de capas carbonizadas y capa endurecida por flama.

Medidores de dureza para ensayos Vickers: La dureza Vickers es apropiada para determinar la dureza de los materiales siguientes.

1.- Carburo cementado, cerámicas, aceros, me- tales no ferrosos.

2.- Placas delgadas, láminas metálicas, niquela- do, objetos miniatura.

3.- Resistencia de materiales, efecto del trata- miento térmico, profundidades de capas carburizadas o descarburizadas y capa endurecida por flama, efecto de endurecimiento y la dureza resultante de la soldadura o de- posición

Medidores de dureza Rockwell y dureza Rockwell superficial: CARACTERISTICAS • La dureza Rockwell y la dureza Rockwell Su- perficial son adecuadas para determinar la dureza de los siguientes materiales. i) Carburo cementado, cerámicas, aceros, me- tales no ferrosos, plásticos, piedra de amolar. ii) La dureza del material, el efecto del trata- miento térmico, las profundidades de capas carburizadas o decarburizadas y capa endu- recida por flama, efecto de endurecimiento y el resultado de dureza de la deposición.

Instrumentos de medición por coordenadas (x,y,z):

Una máquina de medición por coordenadas o máquina de medición tridimensional o CMM (del inglés Coordinate-measuring machine) es un instrumento de medición directa que utilizan un puntero o “palpador” físico con el que el operador puede ir tocando el objeto y enviando coordenadas a un fichero de dibujo. El puntero puede ir unido al sistema de registro de coordenadas mediante un brazo o codificador, o puede ser localizado y “trazado” por un sistema óptico (hay sistemas que utilizan video aunque los más comunes y eficientes son los rastreadores basados en láser llamados “laser-trackers”).

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