Разработка и исследование методов повышения точности гониометрических систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат технических наук Баринова, Евгения Анатольевна

• Баринова, Евгения Анатольевна
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Баринова, Евгения Анатольевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ВЫСОКОТОЧНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ПЛОСКОГО УГЛА.

1.1 Методы измерения угла.

1.2 Высокоточные гониометрические системы.

1.2.1 Гониометрические системы с оптическим датчиком угла.

1.2.2 Гониометрические системы с кольцевым лазером.

1.3 Методы повышения точности гониометрических систем.

1.3.1 Методы классической авто- и кросс-калибровки.

1.3.2 Методы Фурье анализа.

1.4 Выводы по главе.

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ КОЛЬЦЕВОГО ЛАЗЕРА И ОПТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА УГЛА.

2.1 Современные оптические датчики угла и их точностные характеристики.

2.2 Методы исследования погрешностей кольцевого лазера и оптического датчика угла.

2.2.1 Метод исследования систематической погрешности.

2.2.2 Метод исследования случайной погрешности.

2.3 Экспериментальные исследования.

2.3.1 Экспериментальная установка.

2.3.2 Систематическая погрешность кольцевого лазера.

2.3.3 Систематическая погрешность оптического датчика угла.

2.3.4 Воспроизводимость систематических погрешностей кольцевого лазера и оптического датчика угла.

2.3.5 Случайная погрешность.

2.4 Особенности лазерных гониометрических систем.

2.5 Метод повышения точности гониометрических систем.

2.6 Выводы по главе.

ГЛАВА 3. МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ЛАЗЕРНОГО ДИНАМИЧЕСКОГО ГОНИОМЕТРА.

3.1 Основные источники погрешностей лазерного динамического гониометра.

3.1.1 Случайная погрешность.

3.1.2 Систематическая погрешность.

3.2 Исследования систематической погрешности, обусловленной нестабильностью скорости вращения кольцевого лазера.

3.2.1 Теоретические исследования.

3.2.2 Экспериментальные исследования.

3.3 Метод повышения точности лазерного динамического гониометра.

3.3.1 Метод выставки нуль-индикатора.

3.3.2 Экспериментальные исследования.

3.4 Оценка метрологических характеристик лазерного динамического гониометра.

3.5 Выводы по главе.

ГЛАВА 4. МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ АВТОКОЛЛИМАТОРОВ

4.1 Высокоточные автоколлиматоры и методы их калибровки.

4.2 Метод определения систематических погрешностей автоколлиматоров из-за перекрёстных связей.

4.2.1 Метод разворотов.

4.2.2 Экспериментальные исследования.

4.3 Исследование погрешности цены деления шкалы автоколлиматора.

4.4 Исследование погрешностей двухкоординатных измерений.

4.5 Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование методов повышения точности гониометрических систем»

Современный уровень развития приборостроения, машиностроения, физического эксперимента и других областей науки и техники предъявляет высокие требования к точности угловых измерений.

В настоящее время новые промышленные технологии выдвигают задачу прецизионного высокоскоростного измерения параметров сложного углового движения самых разнообразных объектов, к числу которых можно отнести гиростабилизированные системы, многоосные испытательные стенды, оптические сканирующие зеркала, большие следящие антенные системы и т.п. Широкое распространение получили преобразователи угла, работающие в большом динамическом диапазоне, имеющие разрешение и точность на уровне единиц и долей угловой секунды. Возникает необходимость расширения парка рабочих эталонов с новыми метрологическими возможностями, позволяющими оптимизировать передачу размера единицы угла рабочим средствам.

Средствами прецизионных угловых измерений, которые позволяют эффективно решать вышеперечисленные задачи, являются т.н. лазерные гониометрические системы, использующие фундаментальные свойства лазера с кольцевым резонатором [1,2]. Потенциальные возможности современной лазерной динамической гониометрии определяются квантовыми флуктуациями выходного сигнала кольцевого лазера (KJI) и составляют величину порядка тысячных долей угловой секунды. Высокие точностные характеристики могут быть достигнуты также углоизмерительными системами на базе оптических датчиков угла (ОДУ). Перспективными с точки зрения точностных характеристик и функциональных возможностей являются гониометрические системы, использующие принцип комплексирования двух преобразователей угла — кольцевого лазера и оптического датчика угла, в основу работы которых положены принципиально различные физические эффекты [2]. Примерами таких систем в России являются эталон единицы плоского угла при угловом перемещении твердого тела (ГЭТ 94-01) и измерительно-вычислительный комплекс «УППУ-1»[2]. Погрешность этих средств измерений находится на уровне 0,05". При калибровке призматических мер плоского угла погрешность измерения увеличивается, что обусловлено погрешностями устройств фиксации углового положения меры - автоколлиматорами (в статическом режиме работы) и оптическими нуль-индикаторами (в режиме углового перемещения).

Дальнейшее повышение точности современных гониометрических систем возможно как совершенствованием технических средств, так и совершенствованием методов измерений, алгоритмов вычислений. Первый путь связан с разработкой новых технических средств, совершенствованием технологии и т.д., и требует больших материальных затрат. Второй путь позволяет достичь поставленной цели менее затратными, но не менее эффективными средствами, за счет детального исследования погрешностей гониометрических систем, разработки методов их уменьшения.

Целью работы является разработка и исследование методов повышения точности гониометрических систем, реализованных на базе кольцевого лазера и/или оптического датчика угла.

Для достижения поставленной цели определены следующие задачи исследований:

1. исследование погрешностей фазо-временного метода измерений в лазерной гониометрии, обусловленных нестабильностью скорости вращения КЛ;

2. исследование случайной и систематической погрешностей ЮЬи ОДУ;

3. разработка метода уменьшения,случайных погрешностей KJ1 и ОДУ;

4. разработка метода повышения точности лазерной гониометрической системы, включающей KJI и интерференционный нуль-индикатор (НИ);

5. разработка метода уменьшения погрешностей автоколлиматоров, использующихся в высокоточных гониометрических системах для фиксации угловых положений;

6. экспериментальная апробация предложенных методов.

Научная новизна. В процессе проведения исследований получены новые научные результаты:

• Разработан метод исследований случайных погрешностей KJI и ОДУ, позволяющий определять случайную погрешность каждого из преобразователей угла при их совместной работе, реализуемый при одновременном съеме данных с KJI и двух головок ОДУ при синхронизации съема сигналами одной из головок ОДУ.

• Разработан метод повышения точности лазерного динамического гониометра, основанный на компенсации систематической погрешности входящего в его состав интерференционного нуль-индикатора.

• Получены аналитические выражения неисключенной систематической погрешности фазо-временного метода измерений в лазерной гониометрии и оценки этой составляющей погрешности в результате математическое моделирование.

• Разработан метод определения перекрёстных систематических погрешностей прецизионного автоколлиматора и средства задания малых угловых перемещений, основанный на процедуре разворотов.

Практическая ценность работы состоит в том, что:

1. Разработан и практически реализован метод исследований случайных погрешностей KJI и ОДУ, позволяющий определять случайные погрешности каждого из преобразователей угла при их комплексировании в гониометрических системах.

2. Получены оценки воспроизводимости систематических погрешностей KJI и ОДУ, предназначенные для использования при разработке и проектировании высокоточных гониометрических систем.

3. Предложены методы уменьшения дополнительных источников погрешностей, обусловленных влиянием характера движения ротора на KJI и ОДУ, предназначенные для использования при отладке и исследованиях гониометрических систем, а также для оценки их метрологических характеристик.

4. Разработан и практически реализован метод, позволяющий выставлять измерительную плоскость интерференционного НИ.

5. Разработан и практически реализован метод, позволяющий определять перекрёстные систематические погрешности автоколлиматора.

На защиту выносятся:

1. Метод, реализуемый при одновременном съеме данных с кольцевого лазера и двух считывающих головок оптического датчика угла при синхронизации съема сигналами одной из головок ОДУ, позволяет определять случайные погрешности обоих преобразователей угла независимо от источников шумов, присутствующих в гониометрической системе.

2. Метод выставки интерференционного нуль-индикатора, основанный на изменении фазы его систематической погрешности, сосредоточенной на первой гармонике частоты вращения, позволяет уменьшить систематическую погрешность лазерного динамического гониометра.

3. Метод, основанный на процедуре относительных разворотов, позволяет определять перекрёстные систематические погрешности автоколлиматора и средства задания малых угловых перемещений.

Реализация и внедрение результатов работы.

Теоретические положения, методы и результаты исследований* диссертации использованы:

- в ОКР "Разработка оптоэлектронной измерительной системы военного эталона плоского угла ВЭ-35" для МО РФ, шифр «Аксоль-ВЭ-35/1»;

- при создании лазерного динамического гониометра ДГ-ОЗЛ в СПбГЭТУ «ЛЭТИ»;

- при создании нуль-индикатора, входящего в состав системы измерения углового положения сканирующего зеркала, для СКВ КП института космических исследований РАН;

- при исследованиях погрешностей автоколлиматоров в национальном метрологическом институте Германии (РТВ).

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

- Международная конференция европейского научного сообщества по высокоточной технике и нанотехнологиям (EUSPEN Int. Conference), май 2007, Бремен, Германия.

- Всероссийская научно-техническая конференция молодых ученых «Навигация и управление движением» (2006 — 2009), Санкт-Петербург, Россия.

Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета (ЛЭТИ) (2007 - 2009), Санкт- Петербург, Россия.

Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации изложены в 10 публикациях, среди которых 1 научная статья в ' ведущем рецензируемом издании, рекомендованном в действующем перечне ВАК, 2 статьи в других изданиях, 7 - в научных сборниках и трудах российских и международных конференций.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав с выводами и заключения. Она изложена на 163 страницах машинописного текста, включает 55 рисунков, 14 таблиц и содержит список литературы из 63 наименований.

Заключение диссертации по теме «Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)», Баринова, Евгения Анатольевна

4.5 Выводы по главе

1. Предложенный метод разделения погрешностей с использованием разворотов позволяет определять и в дальнейшем компенсировать значения перекрёстных погрешностей двух приборов, один из которых предназначен для задания малых угловых перемещений по двум координатам, а второй -для измерений малых угловых перемещений по двум координатам. По результатам экспериментальных исследований с использованием пьезоэлектрического наклонного стола и высокоточного автоколлиматора невоспроизводимость перекрёстных погрешностей обоих приборов не превышает 0,005 ".

2. Пьезоэлектрический наклонный стол при условии высокой стабильности температуры может быть использован для определения погрешностей шкалы автоколлиматора по всему полю за небольшой промежуток времени.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе получены следующие основные научные и практические результаты:

1. Получены аналитические выражения для неисключённой систематической погрешности фазо-временного метода измерений в лазерной гониометрии, математическое моделирование которых показало, что погрешность не превышает 0,003" при использовании уравнения компенсации обобщённого сдвига нуля и относительной внутриоборотной нестабильности скорости вращения не более 1%.

2. Разработан метод выделения случайных погрешностей KJ1 и ОДУ из результатов их совместных измерений независимо от источников шумов, присутствующих в системе. Показано, что случайная погрешность ОДУ носит характер белого шума, а основным источником случайной погрешности КЛ является случайный дрейф.

3. Разработан и исследован метод повышения точности лазерного динамического гониометра, позволивший в 2 раза уменьшить его систематическую погрешность, сосредоточенную на частоте вращения.

4. Разработан метод исследования систематических погрешностей, основанный на процедуре разворотов, позволяющий определять значения перекрёстных погрешностей двухкоординатного автоколлиматора и пьезоэлектрического наклонного стола. По результатам экспериментальных исследований невоспроизводимость перекрёстных погрешностей обоих приборов не превышает 0,005 ".

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Баринова, Евгения Анатольевна, 2009 год

1. Филатов Ю.В. Методы и средства лазерной гониометрии: автореф. дис. д-ра техн. наук / Ю.В. Филатов; ЛИТМО. СПб.: ИТМО, 1991.

2. Павлов П;А. Разработка и исследование высокоточных лазерных гониометрических систем: автореф. дис. д-ра техн. наук / П.А. Павлов; СПбГЭТУ. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ, 2008.

3. Высокоточные угловые измерения Текст. / Д. А. Аникст, К. М. Константинович, И. В. Меськин [и др.]; под ред. Ю. Г. Якушенкова — М.: Машиностроение, 1987.-480 с.

4. Sim, P.J. // Modern Techiques in Metrology. Singapore: World Scientific, 1984.- P. 102-121.

5. Шестопалов, Ю;Н. Метрологическое обеспечение углометрии в машиностроении Текст. / Шестопалов Ю. Н. // Измерения, контроль, автоматизация. 1991. - №2(78) - С. 20-26.

6. Развитие методов и средств лазерной динамической гониометрии / М.Н. Бурнашев, Д.П. Лукьянов, П.А. Павлов, Ю.В: Филатов // Квантовая электроника. -2000. Т. 30, №2. - С. 141-146.

7. Moeller-Wedel Optical GmbH, Datasheet Elcomat HR (http://www.moeller-wedel-optical.coiii/El-Autocolimators/EElcomatHR.htm).

8. The new PTB angle comparator / R. Probst, R. Wittekopf, M. Krause et al. // Measurement Science and Technology. 1998. - №9. - P. 1059-1066.

9. Probst, R. Six Nanoradian-in2л Radian A Primary Standard for, Angle Measurment / R. Probst, M. Krause II Proceeding of the 2-nd international Euspen conference, Turin, Italy, 2001. - Turin, 2001. - P. 327-329;

10. Comparision of angle standarts with the aid of a high-resolution angle encoder / A. Just, M. Krause, R. Probst at al. // Precision Engineering. 2009. -Vol. 33, No. 10-P. 530-533.

11. Angle metrology at the PTB: current status and developments / M.

12. Krause, A. Just, R.D. Geckeler, H. Bosse // Proceeding of the 9-th ISMTII, Saint-Petersburg, Russia, 2009. Saint-Petersburg, 2009.

13. Laboratoire national de metrologie et d'essais (http://www.lne.eu)

14. Federal Office of Metrology METAS (http://www.metas.ch)

15. Masuda, T. High accuracy calibration system for angular encoders / T. Masuda, M. Kajitani // J. of robotics and mechatronics. 1993. - Vol. 5, No 5. -P. 448-452.

16. Automatic high precision calibration system for angle encoder /

17. T. Watanabe et al. // Proceeding of SPIE. 2001. - Vol. 4401. - Pt. 1. - P. 267274; 2003. - Vol. 5190. - Pt. 2. - P. 400-409.

18. Mokros, K.X. Kruhovy laser a mereni uhlu / J. Mokros, K.X. Vu // Jemna Mechanica a Optika. 1993. -№9 (203). - P. 203-205.

19. Гончаров H. В. Разработка и исследование динамического гониометра на основе фотоэлектрического преобразователя угла: автореф. дис. канд. техн. наук, СПбГЭТУ. СПб., 2005.

20. Боронахин, А.М. Оптические и микромеханические инерциальные приборы: монография / A.M. Боронахин, Д.П. Лукьянов, Ю.В. Филатов СПб.: Изд-во «Элмор», 2008. - 400 с.

21. Методы и устройства оптической голографии // Е.Н. Евстафьев, П.А. Павлов, Д.П. Лукьянов и др.: сб. Л.: ЛИЯФ, 1984.

22. Кривцов Е. П. и др. // Измерительная техника. 1986. -№ 4. - С. 11.

23. ГОСТ 8.577-2002. Государственная поверочная схема для средств измерений линейных ускорений и плоского угла при угловом перемещении твердого тела. Издательство стандартов, 2002.

24. Анализ современных технологий синтеза углоизмерительных структур для высокоточных угловых измерений (Аналитический обзор) / В.П. Кирьянов, А.В. Кирьянов, Д.Ю. Кручинин, О.Б. Яковлев // Оптический журнал. 2007. - Том 74, №12. - С. 40 - 49.

25. EstIer, W.T. Uncertainty analysis for angle calibration using circle closure / W.T. Estler // Journal Res. Natl. inst. Stand. Technol. 1998. - №103. -P. 141-151.

26. Toyoda, K. Program and performance for international comparison of angle standards / K. Toyoda, Y. Tanimura. // Bulletin of NRLM.-Vol. 37. —№4. — P.12-23

27. Reeve, C.P. // The calibration of indexing tables by subdivision. — Washington: National bureau of standards NBSIR 75-750, 1975. 37 p.

28. Cook, A.H. The calibration of circular scales and precision polygons / A.H. Cook//Br. J. Appl. Phys. 1954. -.Vol.5. - P. 367-371.

29. Ernst A., 1994, European patent 0 440 833 Bl, Patentee Dr. Johannes Heidenhain GmbH, Traunreut.

30. Watanabe, T. Self-calibratable rotary encoder / T. Watanabe, H. Fujimoto, T. Masuda // Journal of Physics: Conference series. 2005. - №13. - P. 240-245.

31. Geckeler, R.D. Calibration of angle encoders using transfer function / R.D. Geckeler, A. Fricke, C. Estler // Measurement Science and Technology. -2006.-№17. -P. 2811-2818.

32. Filatov, Yu.V. Dynamic ring laser goniometer / Yu.V. Filatov et al. // Optical Gyros and their application, Neuilly-sur-seine Cedex, France, May 1999. -RTO AGARDograph 339. P. 12-1 - 12-30.

33. Фотоэлектрические преобразователи информации // JI.H. Преснухин и др.. — М.: Машиностроение, 1974. 376 с.

34. DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH (http://www.heidenhain.de)

35. Angle encoders: General Catalog / Heidenhain GmbH. Traunreut, Germany: Heidenhain GmbH, 2000. 82 p.

36. Бендат, Дж. Прикладной анализ случайных данных / Пер. с англ. / Дж. Бендат, А. Пирсол. М.: Мир, 1989. - 540 с.

37. IEEE STD 647-1995, IEEE Standart Specification Format Guide and Test Procedure for Single Axis Axis Laser Gyros.

38. Лукьянов, Д.П. Лазерные инерциальные системы Текст. / Лукьянов Д.П., Мочалов А.В., Филатов Ю.В.: учеб. пособие. СПб.: ТЭТУ. -1995.-157 с.

39. Павлов, П.А. Анализ алгоритмов измерений лазерным динамическим гониометром / П.А. Павлов // Измерительная техника. -2008. -№1. -С.17.

40. Кривцов, Е.П. Исследование погрешности воспроизведения единицы плоского угла кольцевым лазером / Е.П. Кривцов, Ю.В. Филатов // Измерительная техника. 1989. - №12. - С.11-12.

41. Bakin, Y.V. Laser gyros with total reflection prisms / Y.V. Bakin, G.N. Ziouzev, M.B. Lioudomirski // Optical Gyros and their application, Neuilly-sur-seine Cedex, France, May 1999. -RTO AGARDograph 339. -P* 6-1 6-29

42. Агапов» M; Ю: Разработка и исследование гониометрических систем контроля преобразователей угла: автореф. дис. к-та техн. наук / М.Ю; Агапов; СПбГЭТУ. СПб, 2009. - 17 с.

43. Лазерные измерительные системы Текст. / Батраков А.С., Бутусов М.М., Лукьянов Д.П. [и др.]; под ред. Д.П.Лукьянова. М.: Радио и связь, 1981.

44. Филатов, Ю.В. Анализ работы интерференционного углового нуль-индикатора / Ю.В. Филатов // Оптико-механическая промышленность. 1989.-№4.-С. 13-16.

45. Probst, R. Measurement of Angle and Flatness Deviations of Polygon Prism Faces Using a Phase-Shifting Interferometer / VDI Berichte. 1994. -№ 1118. -P. 173-178.

46. Probst, R. Angle calibration on precision polygons // R. Probst, R. Wittekoph. Final Report of EUROMET Project №371, report PTB-F-43. -Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Braunschweig, Germany. -2001.

47. Uncertainties in small-angle measurement systems used to calibrate angle artifacts / J. A. Stone, M. Amer, B. Faust, J. Zimmerman // J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol. -2004. Vol.109, №3. - P. 319-333.

48. ГОСТ 8.381-80. Эталоны. Способы выражения погрешностей. Издательство стандартов, 1980.

49. Двухкоординатный цифровой автоколлиматор / B.JI. Шур, А.Я. Лукин, Ю.Н. Шестопалов, О.И. Попов // Измерительная техника. 2005. — №9.-С. 45-48.

50. Bureau International des Poids & Mesures (http://kcdb.bipm.org)

51. РД 50 - 434 - 83. Методические указания. Автоколлиматоры. Методы и средства поверки. Издательство стандартов, 1983.

52. ГОСТ 8.016-81. Государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для средств измерения плоского угла. Издательство стандартов, 1981.

53. Evans, G.J. Self-Calibration: reversal, redundancy, error separation, and "absolute testing1' / C.J. Evans, R.J. Hocken, W.T.Estler // Annals of the CIRP. Vol. 45/2. - 1996. - PP. 617 - 634.