Разработка и исследование методов измерения межгранных углов прозрачных призм на основе динамического гониометра

В настоящее время угловые измерения ведутся во многих областях науки и техники: в машиностроении и приборостроении — для контроля геометрических параметров изделий и их пространственного положения, для точного позиционирования рабочих органов измерительной аппаратуры и станковв навигации и ориентации — для определения положения объекта относительно выбранной системы координат или какого-либо ориентирав строительстведля контроля отдельных элементов и сооружений в целомв астрономии и геодезии — для определения координат небесных или наземных объектов и т. п. Сфера использования методов и средств угловых измерений постоянно расширяется, что подтверждается большим числом публикаций, авторских свидетельств и патентов [1−8].

Важной тенденцией развития методов и средств угловых измерений является стремление к их полной автоматизации, повышению оперативности и надежности получаемой измерительной информации. Вследствие этого возникают требования к простоте конструкции, надежности в эксплуатации, высокой точности в достаточно большом диапазоне измеряемых или контролируемых угловых величин, возможности унификации отдельных узлов и даже конструкции в целом, высокой метрологической достоверности получаемых результатов, увеличению быстродействия, повышению срока службы измерительного прибора.

Одним из важнейших требований при проведении угловых измерений является обеспечение высокой точности, характеризуемой погрешностями в десятые и даже сотые доли угловой секунды. Так, например, современные визуальные автоколлиматоры фирмы Moeller-Wedel достигают точности угловых измерений порядка 1 угл. сек., а цифровые — порядка 0.03 угл. сек. 9].

В настоящее время, в области практического использования оптических и оптико-электронных угломерных приборов (УП) и систем, достигнут значительный прогресс, определяемый успехами фундаментальных научных исследований, совершенствованием технологии изготовления типовых элементов и узлов угломеров, развитием новых методов измерений, широким использованием в практических задачах современной вычислительной техники.

В общем случае, современные методы и средства контроля угловых величин условно можно разделить на три группы: автоколлимационные, интерференционные, гониометрические.

Одним из наиболее интересных с точки зрения дальнейшего развития является гониометрический метод угловых измерений. Современные тенденции развития измерительной техники привели в последние годы к производству цифровых гониометров, использующих в качестве отсчетного лимба фотоэлектрические преобразователи угла (ФПУ). Известный лазерный динамический гониометр [10] позволяет сегодня решать углоизмерительные задачи с точностью порядка 0.03 угл. сек.

Положения, выносимые на защиту.

— Полученные математические модели и созданные на их основе алгоритмы позволяют произвести идентификацию выходных импульсов нуль-индикатора, сформированных от различных граней призмы.

— Использование в интерференционном нуль-индикаторе широкополосного источника света обеспечивает исключение импульсов от внутренних граней только при определенных конфигурациях призмы.

— Цифровая обработка выходного сигнала интерференционного нуль-индикатора позволяет повысить разрешающую способность и исключить систематическую погрешность, вызванную взаимным искажением близко расположенных интерференционных импульсов.

Научная новизна. В процессе проведения исследовании получены новые научные результаты: разработаны математические модели, позволяющие рассчитать положение калибруемой призмы, при котором световые пучки нуль-индикатора падают по нормали на внутреннюю или внешнюю грань призмыразработан алгоритм, позволяющий выделить положения, соответствующие нормальному падению пучков нуль-индикатора на наружные грани призмы с углами 45°-90°-45°- проведен анализ влияния ширины спектра источника света, используемого в интерференционном нуль-индикаторе, а так же дисперсионных свойств материала калибруемой призмы на выходной сигнал нуль-индикатораразработан метод аппроксимации оцифрованного сигнала с фотоприемника нуль-индикатора, при регистрации близкорасположенных импульсов от разных граней калибруемой призмы.

Практическая ценность работы состоит в том, что: получены математические модели, позволяющие анализировать ход световых пучков в прозрачной призме вне зависимости от углов преломленияразработан алгоритм идентификации импульсов от наружных граней призмы с углами 45°-90°-45°- показана ограниченная эффективность использования широкополосного источника света для исключения импульсов, получаемых от внутренних граней призмыразработан и реализован алгоритм, разделения близкорасположенных импульсов, позволяющий уменьшить систематическую погрешность, вызванную их взаимным искажением и повысить разрешающую способность динамического гониометра.

Реализация и внедрение результатов работы.

1. Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс кафедры Лазерных измерительных и навигационных систем Санкт-петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» при выполнении выпускных квалификационных работ бакалавров и магистров, а также при подготовке курса лекций по дисциплине «Лазерные измерительные системы» магистерской программы «Лазерные измерительные технологии»;

2. Результаты диссертационной работы были использованы на предприятии ООО «Инертех» при разработке методического обеспечения опытных образцов Лазерных динамических гониометров.

Апробация. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

— Всероссийская научно-техническая конференция молодых ученых «Навигация и управление движением» (2005), Санкт-Петербург, Россия.

— Научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета (ЛЭТИ) (2007, 2011), СанктПетербург, Россия.

— Международная конференция «Оптика Лазеров» (2010), Санкт-Петербург, Россия.

4.4 Выводы по главе 4.

В данной главе разработан и экспериментально апробирован алгоритм обработки оцифрованного сигнала с фотоприемника интерференционного НИ, позволяющий эффективно разделять близко расположенные сигналы от разных граней калибруемой призмы. Как показал математический и физический эксперимент, данный метод позволяет с высокой степенью достоверности разделять импульсы, угол между которыми почти на порядок меньше угловой ширины интерференционного импульса.

Таким образом, процесс калибровки призмы, не имеющей отражающего покрытия на гранях, с использованием данного метода включает в себя следующие этапы:

• оцифровка сигнала с фотоприемника интерференционного НИ с привязкой к выходному сигналу датчика угла;

• выделение из полученного массива данных интерференционных импульсов;

• обработка полученных массивов с использованием предлагаемого алгоритма. В результате будут получены положения призмы, соответствующие нормальному падению пучков НИ на наружные и внутренние грани призмы.

• определение положений призмы, при котором пучки падают по нормали на наружную грань призмы, с использованием результатов геометрического анализа хода пучков в призме;

• расчет углов калибруемой призмы.

Каждый из этапов не требует участия оператора и может быть осуществлен в автоматическом режиме.

Заключение

.

В работе проведен анализ процесса контроля призм, не имеющих отражающего покрытия, с использованием динамического гониометра. При этом получены следующие результаты:

— получены математические модели, позволяющие рассчитывать ход пучков в призме. С использованием данных моделей рассчитаны положения, при которых происходит нормальное падение пучков на наружную или внутреннюю грань призм с углами 30°-60°-90° и 45°-90°-45° и разработан алгоритм определения положений, при которых пучки падают на наружную грань призмы с углами 45°-90°-45°.

— проанализировано влияние ширины спектра и дисперсии коэффициента преломления материала калибруемой призмы на форму интерференционного импульса. Рассмотрены два метода борьбы с импульсами от внутренних граней: увеличение ширины спектра источника света, используемого в нуль-индикаторе, и использование наклонного падения пучков на грань призмы с последующем отражением от опорного зеркала. Первый метод эффективен только при значительном угле преломления пучков. Второй — требует изменения конфигурации измерительной установки в зависимости от типа калибруемой призмы.

— разработан и реализован алгоритм цифровой обработки выходного сигнала с фотоприемника нуль-индикатора, учитывающий взаимное искажение близко расположенных импульсов и позволяющий разделять слившиеся импульсы от разных граней и исключить систематическую погрешность измерений, вызванную взаимным искажением близко расположенных интерференционных импульсов от разных граней.