Laboratorio de Mediciones Angulares

El principal objetivo del laboratorio es desarrollar y mantener la unidad de ángulo plano del SI, y diseminarla mediante calibración de patrones e instrumentos situados en niveles metrológicos inferiores, dotándolos de la trazabilidad requerida.

Una parte importante de las actividades del laboratorio está dedicada a la búsqueda de nuevos y mejores métodos de calibración, conforme al último estado de la técnica, desarrollando los procedimientos técnicos adecuados e integrándolos en el Sistema de Gestión de la Calidad del CEM.

En el Laboratorio de Mediciones Angulares se realiza la unidad de ángulo plano mediante un generador angular absoluto desarrollado por el Área en colaboración con la fundación Tekniker. Este generador angular, con campo de medida de 360º y resolución de 0,04”, permite alcanzar incertidumbres del orden de 0,1”.

Calibración de polígono óptico mediante generador angular y autocolimador fotoeléctrico

El generador angular se mantiene calibrado mediante la calibración periódica de polígonos ópticos empleados como testigos. El método se basa en la particularidad de que al calibrar un polígono óptico sobre el generador angular, habitualmente con la ayuda de un autocolimador de alta resolución, el propio generador angular resulta calibrado en tantos puntos como caras tenga el polígono, dado que el error acumulado de los errores entre caras debe ser nulo tras un giro de 360º. Por ello, es relativamente fácil seguir la evolución metrológica del generador angular y observar si los resultados se mantienen dentro del nivel de incertidumbre deseado.

Asimismo, la participación en comparaciones internacionales, junto a otros Institutos Nacionales de Metrología, permite observar las desviaciones respecto al valor de referencia de la comparación, así como las diferencias entre realizaciones prácticas de distintos laboratorios.

Trazabilidad metrológica

Aunque un ángulo puede obtenerse como cociente de longitudes (principio en el que se basan las denominadas reglas y mesas de senos), el generador angular responde a un método absoluto, en el que los 360º de la circunferencia, con ayuda de una regla circular a trazos y una unidad de lectura e interpolación, se reparten en multitud de divisiones, proporcionando un valor mínimo de paso. En el caso del generador angular del CEM, el control electrónico e informático del mismo permite obtener 32,4 millones de intervalos, lo que equivale a un paso mínimo o resolución de 0,035”.

Tras su participación en proyectos europeos como el EMRP SIB58, el laboratorio aplica por vez primera técnicas avanzadas de separación de errores (shearing techniques) a la calibración simultánea y precisa de autocolimadores y codificadores angulares, mejorando así los métodos clásicos de calibración para alcanzar incertidumbres más bajas. Las técnicas de shearing, consistentes en aplicar giros angulares relativos específicos entre ambos sistemas de medición angular, ofrecen una oportunidad única para separar los errores del autocolimador y del codificador angular y, por tanto, calibrar ambos sistemas sin recurrir a ningún patrón externo. Para ello el laboratorio ha desarrollado software y procedimientos específicos.

Ejemplo de Software preparado para la aplicación de las técnicas de shearing

Diseminación

Para la diseminación de la unidad, el laboratorio utiliza un generador angular absoluto junto a autocolimadores fotoeléctricos de doble eje, con resolución de 0,006” e incertidumbre inferior a 0,1”, con los que calibra mesas giratorias, autocolimadores, codificadores angulares, polígonos ópticos, pentaprismas y otros patrones angulares pertenecientes a laboratorios acreditados y otras instituciones y empresas.

Bloques patrón angulares

Los bloques patrón angulares son patrones que materializan el ángulo plano entre sus dos caras. Empleando el generador angular absoluto y un autocolimador se determina el ángulo entre las perpendiculares a las caras de medida, en el centro de éstas.

Polígonos ópticos

Son patrones de forma prismática que materializan entre sus caras un ángulo plano uniforme a, por división de los 360º del circulo entre el número n de caras; es decir, . El ángulo se determina perpendicularmente a las caras de medida mediante un autocolimador. 

 

Pentaprismas

Son patrones materializados que desvían 90º un haz de luz que incida sobre ellos. La calibración se realiza utilizando el generador angular absoluto, un espejo plano-paralelo y un autocolimador.

Autocolimadores fotoeléctricos

Son instrumentos medidores de pequeños ángulos, con gran resolución y exactitud (típicamente menor de 0,1’’), aunque de pequeño rango de medida (típicamente < 2’). Pueden medir en uno o dos ejes perpendiculares entre sí, llamados ejes X e Y del autocolimador.

Su calibración se realiza empleando el generador angular absoluto y un espejo. Para la calibración de autocolimadores puede emplearse la técnica de shearing que permite alcanzar incertidumbres más bajas que siguiendo los métodos tradicionales.

 

El laboratorio emplea también un interferómetro de tipo Fizeau para la determinación óptica de la planitud de las caras de medida de los patrones angulares, con objeto de evaluar correctamente la componente de incertidumbre debida a dicho defecto.

Codificadores angulares

Son dispositivos opto-electro-mecánicos que convierten la posición angular del eje de giro al que se encuentran acoplados, en un código digital. Se usan en aplicaciones en las que es necesaria una exactitud de posicionado angular del orden de los segundos. Se calibran contra el generador angular absoluto. 

Servicios

Los principales servicios de calibración prestados por el laboratorio son los siguientes:

  • Bloques patrón angulares (U ≥ 0,3") (CIPM)
  • Autocolimadores fotoeléctricos (U ≥ 0,3") (CIPM)
  • Polígonos ópticos (U ≥ 0,15") (CIPM)
  • Escuadras ópticas (Pentaprismas) (U ≥ 2") (CIPM)
  • Ópticas angulares de sistemas interferométricos láser
    • (U ≥ 2∙10-5) para la distancia D entre vértices de retrorreflectores (factor de corrección de la óptica)
    • (U ≥ 0,15") para desviaciones al nominal de hasta ±15º

NOTA: Los servicios marcados con (CIPM) han sido aprobados por el CIPM y pueden consultarse en: http://kcdb.bipm.org/appendixC/default.asp

Persona de contacto

Mª Mar Pérez: mmperezh@cem.minetur.es

Área
Longitud e ingeniería de precisión

Última actualización: 07/04/2021