Разработка и исследование методов измерения межгранных углов прозрачных призм на основе динамического гониометра тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат технических наук Николаев, Максим Сергеевич

• Николаев, Максим Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Николаев, Максим Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ГОНИОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА.

1.1. Гониометры.

1.2. Методы лазерной гониометрии.

1.3 Принципы лазерной гониометрии.

1.4 Статический и динамический методы лазерной гониометрии.

1.5 Принципы построения нуль-индикатора.

1.6 Особенности аттестации призмы без отражающих покрытий.

ГЛАВА 2 ГЕОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ХОДА ПУЧКОВ В ПРИЗМЕ

2.1 Описание плоской модели.

2.2 Использование плоской модели для расчета положений призмы, при которых происходит нормальное падение на наружные и внутренние грани.

2.2.1 Треугольная призма с углами 45°-90°-45°.

2.2.2 Треугольная призма с углами 30°-60°-90°.

2.3 Описание трехмерной модели.

2.4 Анализ хода луча в треугольной призме с углами 45°-90°-45° с использованием трехмерной модели.

2.5 Сравнение плоской и трехмерной моделей.

2.6 Алгоритм определения углов треугольной призмы с углами 45°-90°-45° по результатам измерений.

2.6.1 Анализ углов, получаемых при аттестации треугольной призмы с углами 45°-90°-45°.

2.6.2 Последовательность действий при определении углов по результатам измерений.

2.7 Выводы по 2 главе.

ГЛАВА 3 АНАЛИЗ РАБОТЫ НУЛЬ-ИНДИКАТОРА С УЧЕТОМ

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СВЕТОВЫХ ПУЧКОВ.

3.1 Сложение двух интерференционных импульсов.

3.2 Влияние ширины спектра излучения на форму интерференционного импульса.

3.3 Влияние дисперсии на выходной сигнал НИ.

3.4 Наклонное падение пучка на грань призмы.

3.5 Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4 АЛГОРИТМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛА НИ.

4.1 Алгоритм обработки выходного сигнала НИ.

4.2 Математический эксперимент.

4.3 Экспериментальные исследования.

4.4 Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 станков; в навигации и ориентации - для определения положения объекта относительно выбранной системы координат или какого-либо ориентира; в строительстве -для контроля отдельных элементов и сооружений в целом; в 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 призмы; разработан 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-индикатора; разработан 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 преломления; разработан 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 призмы; разработан 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), Санкт- Петербург, Россия.

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

Заключение диссертации по теме «Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)», Николаев, Максим Сергеевич

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Николаев, Максим Сергеевич, 2012 год

1. Павлов П.А., Филатов Ю.В. Лазерная гониометрия. СПб.: Издат-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2012, 184 с.

2. Батаян П.В., Коняхин И.А., Панков Э.Д. Контрольные элементы автоколлимационных угломеров с улучшенными метрологическими характеристиками //Оптический журнал. -1997, №1

3. Широко диапазонные оптико-электронные автоколлиматоры на основе использования оптической равносигнальной зоны / Крайлюк А. Д., Му-сяков В. Л., Панков Э. Д., Тимофеев А. Н., Ли Шифан // Известия вузов. Приборостроение. 2003. - Т. 46, N 8.

4. Стороженко А.Ф., Некрасов O.K. «Инженерная геодезия». М.: Недра, 1993.

5. А. Н. Королев, А. И. Гарцуев, Г. С. Полищук, В. П. Трегуб, Цифровой автоколлиматор, "Оптический журнал", т.76, №10, 2009, с.42-47.

6. Two-dimensional real-time photoelectric autocollimator with double high sensitivity. Zhaoxiang Ge, Xiangning Li, Xiaoyang Wu. Proceedings of SPIE Volume:3898 Photonic Systems and Applications in Defense and Manufacturing. Nov 1999

7. Коняхин И.А. Развитие оптико-электронных автоколлимационных средств контроля угловых деформаций. Оптический журнал, Т.67, 2000 113

8. Голубовский Ю.М, Пивоварова Л.Н., Новикова И.Н. и др. Фотоэлектрический автоколлиматор для высокоточных измерений//ОМП -1988 №3.9. http://www.moeller-wedel-optical.com/Goniometer/EGonio 1 .htm рекламный проспект Moeller-Wedel (Germany)

9. Filatov Yu.V., Loukianov D.P., Probst R. Angle measurement by means of a ring laser goniometer, Metrologia, 34, 343 (1997).

10. Кривовяз J1.M., Пуряев Д.Т., Знаменская М.А. Практика оптической измерительной лаборатории. М.: Машиностроение, - 1974. - С. 159 — 164.

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

12. Креопалова Г.В., Лазарева Н.Л., Пуряев Д.Т. Оптические измерения. -М.: Машиностроение, 1987. - С. 98 - 101.

13. Марков Н.Н., Ганевский Г.М. Конструкция, расчет и эксплуатация контрольно-измерительных инструментов и приборов. М.: Машиностроение,- 1993.

14. Шестопалов Ю.Н. Метрологическое обеспечение углометрии в машиностроении. Измерения, контроль, автоматизация. №2(78), 1991

15. A. Ernst /Digital linear and angular metrology, 1998

16. T.Watanabe, H.Fujimoto, K.Nakayama et all. /Automatic high precision calibrating system for angle encoder. The American Physical Society. 13 march 2001. Session K40.http://flux.aps.org/meetings/YRQ 1/MAR0 l/abs/G4060083 .html

17. R. Probst, R.Wittekopf, M. Krause, H. Dangschat and A.Ernst. The new PTB angle comparator. /Meas.Sci.Technol. №9 (1998)

18. Probst. R. Recent interntional comparisons in metrology // Requirements andthrecent developments in high precision angle metrology: proc. of the 186 PTB-Seminar, Braunschweig, November. 2003. 3. 117.

19. Catherin J.M., Dessus В., French Patent 1511089, granted 26.01.68.

20. Блантер B.E., Филатов Ю.В. Метрология, № 1,3 (1979)

21. Лукьянов Д.П., Филатов Ю.В., Блантер Б.Э. Опыт и перспективы использования кольцевых лазеров в прецизионных угломерных системах. -Л. ЛДНТП, 1980.

22. Батраков А.С., Бутусов М.М., Лукьянов Д.П. и др. Лазерные измерительные системы. Под ред. Д.П.Лукьянова. М., Радио и связь, 1981.

23. Ванюрихин А.И., Зайцев И.И. Автоматизированный гониометр на основе кольцевого лазера. Оптико-механическая промышленность, № 9, 1982.

24. Bournachev M.N., Kirianov К.Е., Loukianov D.P.,Mezentsev . Filatov Yu.V.and Pavlov P.A. Meas. Sci.Technol., 9, 1067 (1998).

25. Гончаров H.B. Развитие гониометрических методов и средств контроля углового положения объекта/ Н.В. Гончаров, Ю.В. Филатов// Гироско-пия и навигация. -2002. -№3(38). -С. 123.

26. Dynamic goniometers based on ring laser and optical encoder/ M. Bournachev, Y. Filatov N. Goncharov, D. Loukianov, P. Pavlov //Ultra precision measurements. Proc. of the 4-th Euspen International Conference, Glasgow, Scotland, UK, 2004, p.318-319.

27. Mokros J., Vu K.X. Jemna mechanica a optika, 9 , 203 (1993).

28. Бурнашев M.H., Лукьянов Д.П., Павлов П.А., Филатов Ю.В, Развитие метолов и средств лазерной динамической гониометрии. Квантовая электроника, т.30 , №2, с. 141-146, 2000.

29. Вишняков Г.Н., Левин Г.Г., Корнышева С.В., Зюзев Г.Н., Людомирский М.Б., Павлов П.А., Филатов Ю.В. Измерение показателя преломления на гониометре в динамическом режиме // Оптический журнал. 2005, т. 72. №12. С. 53 -58.

30. G.N.Vishnyakov, G.G.Levin, G.N.Zoiuzev, M.B.Lioudomirski, P.A.Pavlov, Y.V.Filatov, Standard refractometric complex based on dynamic laser go-niomeeter, Proceedings of 7th Symposium on Laser Metrology, Novosibirsk, Russia, September 2002.

31. М. Борн, Э. Вольф «Основы оптики», изд. Наука, гл. ред. Физико-математической литературы, М. 1973 г.

32. Филатов Ю.В. Анализ работы интерференционного углового нуль-индикатора// ОМП. 1989. №4. С. 13 16.

33. Список основных публикаций Публикации в изданиях, включенных в перечень ВАК:

34. Николаев М.С., Филатов Ю.В. Исследование работы динамического гониометра при калибровке призм с непокрытыми гранями // Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ". Сер. "Приборостроение и информационные технологии". -2005.-Вып. 1.-С. 8-15

35. Николаев М.С. Анализ влияния сложения световых пучков, ширины спектра и дисперсии на выходной сигнал интерференционного нуль-индикатора // Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ», серия «Приборостроение и информационно-измерительные системы», 2006, с.11-17.

36. Николаев М.С., Филатов Ю.В. Методы калибровки призм с гранями, не имеющими отражающего покрытия, с помощью динамического гониометра // «Оптический журнал», 2011, том 78 №3 стр. 92-95

37. М.С.Николаев Анализ работы динамического гониометра при калибровке призм с непокрытыми гранями // Гироскопия и навигация, 2005, №3 СПб. -стр. 77.