Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Павлов Петр Алексеевич
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОТОЧНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ГОНИОМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Специальность: 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (приборостроение)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук
Санкт-Петербург - 2008
Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете ЛЭТИ им В. И. Ульянова (Ленина) Научный консультант - доктор технических наук, профессор Филатов Ю. В.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Авдеев Б.Я.
доктор технических наук, профессор Ган М.А.
доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ. Корниенко А.А Ведущая организация - ФГУП ВНИИМ им. Д.И. Менделеева (г. Санкт-Петербург).
Защита состоится У_____Ф _____________ 2008 г. в _______ часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.238.Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета ЛЭТИ им. В. И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, г. Санкт-Петербург, ул.
Проф. Попова, 5.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.
Автореферат разослан У________Ф_________________2008 г.
Учёный секретарь совета Боронахин А.М.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Угловые измерения широко применяются во многих областях науки, промышленности. До недавнего времени единство угловых измерений осуществлялось в соответствии с Государственной поверочной схемой (ГОСТ 8.016-81), согласно которой с наивысшей точностью воспроизводится единица постоянного плоского угла (т.е. угла, заданного некоторой угловой мерой), а ее передача рабочим эталонам и средствам измерения происходит с использованием угловых мер в виде многогранных призм. В настоящее время широкое распространение получили датчики угла, работающие в динамическом режиме и обладающие высокой разрядностью, которые не включены в эту поверочную схему.
Для обеспечения единства угловых измерений на современном этапе, развития технического прогресса и обеспечения преемственности необходим переход на новую поверочную схему измерений, во главе которой находился бы эталон угла, воспроизводящий единицу постоянного и изменяющегося во времени плоского угла. В этой связи становится актуальной разработка и создание высокоточных средств измерения, реализующих новою поверочную схему измерений.
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, различного рода оптические сканирующие зеркала, большие следящие антенные системы и т.п. Однако в настоящее время не существует единой метрологической базы для их поверки и аттестации. Существующие эталоны угла, угловой скорости, углового ускорения и их поверочные схемы обеспечивают единство измерений вышеуказанных величин отдельно друг от друга.
Решение поставленных задач возможно с использованием последних достижений науки и техники. Новые возможности в области угловых измерений открывает лазерная гониометрия, которая сформировалась в самостоятельное научное направление [1] и позволила разработать технику прецизионных угловых измерений. Первый лазерный динамический гониометр (ЛДГ) был реализован в 70ые годы во ВНИИМ им. Д.И.Менделеева для передачи в динамике размера единицы плоского угла от образцовой многогранной призмы магнитному преобразователю угла [2]. Первый промышленный образец ЛДГ ГС-1Л [3] был выпущен заводом Арсенал (г. Киев) в начале 80-х годов серией в нескольких десятков экземпляров.
Высокие точностные характеристики ЛДГ и реальные перспективы их дальнейшего повышения позволили уже в начале 80-ых поставить вопрос о возможности создания эталонных средств измерения угла на основе ЛДГ [4].
Широкое использование в средствах измерения, системах управления, испытательном оборудовании датчиков угла, работающих в динамическом режиме, а также необходимость преемственности при передаче единицы плоского угла с использованием многогранных призм, ставит задачу перехода на новые метрологические средства измерений и создание новой поверочной схемы для средств измерений плоского угла.
Цель и основные задачи работы.
Целью работы является разработка методов лазерной гониометрии, повышающих точность угловых измерений, и создание на их основе высокоточных измерительных систем, обеспечивающих единство измерений постоянных и изменяющихся во времени угловых величин.
Для достижения указанной цели необходимо:
Х разработать новые методы измерений лазерной гониометрии;
Х разработать методики измерений, минимизирующие погрешность угловых измерений;
Х разработать принципы построения эталонных средств измерения угла;
Х разработать и исследовать эталонные средства измерения угла;
Х разработать и исследовать лазерные гониометрические системы (ЛГС) для измерения изменяющихся во времени угловых величин;
Х разработать принцип построения эталона показателя преломления твердых тел по методу угла наименьшего отклонения с использованием лазерного гониометра;
Х разработать регистрирующую аппаратуру для ЛГС.
Методы исследований включают в себя аппарат теории вероятностей и математической статистики, аппарат математического и регрессионного анализа, математическое моделирование, инженерно-физический эксперимент.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем:
Х Результаты исследования фазо-временного метода угловых измерений, в рамках которого предложена и исследована объединенная методика измерений, включающая в себя компенсацию обобщенного сдвига нуля и фильтрацию шума.
Объединенная методика измерений позволяет уменьшить погрешность измерений и приблизиться к теоретическому пределу точности измерений в лазерной гониометрии.
Х Метод построения высокоточных лазерных гониометрических систем (ЛГС), основанный на комплексировании кольцевого лазера (КЛ) и оптического датчика угла (ОДУ). Метод анализа погрешностей ЛГС, основанный на модифицированном методе кросс-калибровки, с использованием которого проведены исследования Государственного первичного эталона (ГПЭ) единицы плоского угла при угловом перемещении твердого тела.
Х Метод анализа систематических погрешностей КЛ и интерференционного нуль индикатора в лазерном динамическом гониометре.
Х Метод автоматизации процесса измерения угла наименьшего отклонения, который реализован в ГПЭ показателя преломления твердых и жидких сред.
Х Результаты исследований лазерной гониометрической системы при бесконтактных измерениях угловых параметров движения объекта, открывающие возможности для развития метрологии угловых динамических измерений.
Х Контактный метод измерения угловых параметров движения больших объектов, использующий инерциальные свойства кольцевого лазера.
Практическая ценность результатов работы заключается в создании эталонных средств измерений, позволяющих обеспечить единство измерений постоянных и изменяющихся во времени угловых величин. В работе получены следующие практические результаты:
1. Разработаны и внедрены новые режимы работы ЛГС, основанные на компенсации обобщенного сдвига нуля и фильтрации сигналов, позволяющие увеличить точность угловых измерений.
2. Совместно с ФГУП ВНИИМ им. Д.И.Менделеева решена задача метрологического обеспечения преобразователей угла, работающих в динамическом режиме. Создан эталон единицы плоского угла при угловом перемещении твердого тела. Для МО РФ создан измерительно-вычислительный комплекс, предназначенный для автоматизированного контроля высокоразрядных цифровых преобразователей угла, прошедший государственные испытания с целью утверждения типа.
3. Совместно с ФГУП ВНИИОФИ решена задача построения эталона показателя преломления твердых и жидких сред с использованием лазерного динамического гониометра, реализующего автоматизированный процесс измерения угла наименьшего отклонения.
4. Создан интерференционный нуль-индикатор, задающий опорное направление в процессе угловых измерений, обладающий расширенным динамическим диапазоном и повышенной точностью.
5. Предложен и реализован метод исследования лазерного динамического гониометра для калибровки оптических призм и оптических датчиков угла, позволяющий уменьшить погрешность измерения. Проведена сертификация разработанных образцов ЛДГ в национальном институте метрологии Швейцарии (METAS) и сличение с национальным эталоном плоского угла Германии (PTB).
6. Создан лазерный динамический гониометр-автоколлиматор, позволяющий бесконтактным способом проводить измерения параметров углового движения объекта в диапазоне углов более 20о, с погрешностью не хуже 0,3.
Проведена его калибровка.
7. Создан лазерный инерциальный гониометр, измеряющий мгновенное угловое положение поворотного стола испытательного стенда, совершающего сложное угловое движение в неограниченном диапазоне угловых перемещений.
8. Создано программно управляемое устройство, которое обеспечивает регистрацию данных и ввод их в персональный компьютер для всего функционального ряда лазерных динамических систем.
На защиту выносятся следующие научные положения:
Х Фазо-временной метод с компенсацией обобщенного сдвига нуля устраняет влияние нестабильности скорости вращения КЛ на погрешность измерений в лазерной гониометрии.
Х Объединенная методика измерений ЛГС, включающая в себя компенсацию обобщенного сдвига нуля и фильтрацию шума, уменьшает погрешность измерений и приближает ее к теоретическому пределу точности измерений в лазерной гониометрии.
Х Комплексирование кольцевого лазера и оптического датчика угла на голографической решетке обеспечивает наивысшую точность угловых измерений и позволяет создать государственный первичный эталон единицы плоского угла.
Х Метод автоматизации измерения угла наименьшего отклонения с использованием ЛДГ позволяет проводить измерения показателя преломления твердых тел с погрешностью 10-6.
Х Лазерный динамический гониометр обеспечивает калибровку датчиков угла, работающих в динамическом режиме, и многогранных призм с погрешностью менее 310-7 рад.
Х Лазерный динамический гониометр-автоколлиматор и лазерный инерциальный гониометр обеспечивают измерения переменного угла и служат основой для создания средств измерения переменного угла.
Внедрение результатов работы.
Х Результаты работы реализованы при создании Государственных первичных эталонов: эталона единиц линейного ускорения и плоского угла при угловом перемещении твердого тела (ГЭТ 94-01) и эталона единицы показателя преломления (ГЭТ 138-2003).
Х Для МО РФ создан измерительно-вычислительный комплекс, предназначенный для автоматизированного контроля высокоразрядных цифровых преобразователей угла, который в настоящее время используется в ФГУП ГосНИИАС.
Х Лазерный динамический гониометр для калибровки оптических призм используется в национальных метрологических институтах Италии, Испании, Китая.
Х Интерференционный нуль-индикатор используется в национальном метрологическом институте Германии (PTB), в отраслевом метрологическом институте (CIM, г. Пекин, КНР), в институте точной механики для аэрокосмической промышленности (CPEI, г. Пекин, КНР); входит в состав:
Государственного эталона ГЭТ 94-01, измерительно-вычислительного комплекса для контроля параметров высокоразрядных преобразователей угла и ряда других углоизмерительных систем.
Х Лазерный динамический гониометр-автоколлиматор используется для контроля параметров углового движения сканирующего зеркала в институте космических исследований РАН и в институте спектроскопии РАН.
Х Стенд контроля параметров вращательного движения внедрен в институте точной механике для аэрокосмической промышленности (CPEI, г. Пекин, КНР).
Апробация работы. Результаты работы докладывались на:
международных конференциях:
Symposium Gyro Technology Stuttgart, 1991, 2001, 2003; 2007.
Int.Conf. on Gyroscopic technology and navigation, 1995, 1998, 2001, 2002.
Межд.конф. по электромеханотронике, СПб., 1997.
3rd Soviet-Chines Gyro Technolog symposium Nanjing, 1992.
3rd Intern. IMEKO Symp. УLaser metrology for Precision MeasurementФ, Heidelberg, 1994.
International Conf. on Ultraprecision Engineering Braunschweig, Germany, 1997.
Conference of Integrated Navigation Systems, Beijing, November, 1998.
EUSPEN international conference, Turin, May 2001; Glasgow, May-June, 2004.
Optical Measurement Systems for Industrial Inspection III, Munich, Germany, June 2003.
Международный научный конгресс Гео-Сибирь 2005.
Российских конференциях:
III ВНТК "Прим. ЛазеровФ, Таллинн,1987.
XXII межотраслевой научно-технической конференции памяти Н.Н. Острякова, СПб., 2000, 2002.
7th Symposium on Laser Metrology, Novosibirsk, Russia, September 2002.
Международной научно-технической конференции Наука, образование и общество в 21 веке, СПб., 2006.
Профессорско-преподавательских конференциях СПбГЭТУ (ЛЭТИ).
Семинарах: PTB - 2007; ВНИИМ - 2003; ГосНИИАС - 2003.
Участие в выставках научно-технических достижений:
The International Optoelectronics Exhibition, Interopto, Japan, 2004.
The International Fair Factory Automation, Asia, 2005.
2nd International Precision Engineering, Machine Tools and Metalworking Exhibition, MTA Vietnam, 2006.
Метрология 2008, Москва, ВВЦ.
ичный вклад автора. Автором предложены: фазо-временной метод измерений, обобщенная методика измерений, автоматизированный метод измерения угла наименьшего отклонения, методики исследований ЛГС; проведены экспериментальные исследования и математическое моделирование. В работах, выполненных в соавторстве, автору принадлежит постановка задач экспериментальных исследований, интерпретация результатов и формулировка общих закономерностей.
Публикации. Автор по теме диссертационной работы имеет 47 научных публикаций, включая 23 статьи (из них - 14 работ опубликованы в рецензируемых журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России) и публикации - в материалах международных и всероссийских научно-технических конференций и симпозиумов, 2 авторских свидетельства и 1 патент на изобретение РФ.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, одного приложения и списка цитируемой литературы, включающего 117 наименований. Диссертация изложена на 293 страницах машинописного текста.
Работа содержит 95 рисунков и 27 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность работы, формулируется цель и задачи исследований, отмечается научная новизна и практическая значимость результатов, перечисляются основные положения, выносимые на защиту.
Первая глава. Рассмотрена модель погрешности средств измерений лазерной гониометрии, которая включает в себя методические и инструментальные погрешности. К основным источникам инструментальной погрешности отнесены:
флуктуации параметров выходной характеристики КЛ; внешние воздействия, такие как магнитное поле, вибрация и угловой тренд основания; погрешность датчика угла, а также случайные флуктуации частоты выходного сигнала КЛ, которые определяют потенциальную точность измерений [5]. В главе проводится анализ методов измерения, который направлен на достижение потенциальной точности лазерной гониометрии. Основное внимание уделено устранению влияния источников инструментальных погрешностей на результат измерения при различном характере нестабильности скорости вращения КЛ.
Традиционным методом измерений в лазерной гониометрии является фазовый метод, заключающийся в подсчете числа периодов Ni выходного сигнала кольцевого лазера за время его поворота на угол i, задаваемый контролируемым датчиком угла (ДУ). Уравнение измерений имеет вид: i = 2 (Ni N2), где N2 - число периодов выходного сигнала кольцевого лазера при его повороте на угол 2.
В работе принята модель КЛ, при которой частота его выходного сигнала K-описывается выражением: (t) = K0 + K1[(t) + * ] +, E [(t) + * ] E где K0 - коэффициент, характеризующий сдвиг нуля выходной характеристики КЛ;
K1 - масштабный множитель КЛ;
K-1 - коэффициент, характеризующий нелинейность выходной характеристики КЛ;
(t), * - скорость вращения КЛ в лабораторной системе координат и E вертикальная составляющая скорости вращения Земли, соответственно.
В рамках рассматриваемой модели выражения для Ni, N2 имеют вид:
1 i ti dt Ni = K1i + (K0 + K1* ) + K-E [(t) ;
2 i 0 + * ] E T 1 2 dt N2 = K1 + (K + K1* ) + K-1 + * ] 0 E [(t) .
2 T E Проведенный анализ показал, что погрешность угловых измерений при фазовом методе равна:
K0 + K1* (T - i ) 1 K-1 (T - i ) 1 i ~ E i = i - i = i + + (Ji - JT ,(1) K1 iT ' K1 i iT ' 2 0 0 где ' - постоянная составляющая скорости вращения КЛ с учетом вертикальной составляющей скорости вращения Земли; T - средняя скорость вращения КЛ за время оборота T; i - средняя скорость вращения КЛ за время ti,T измерения ti; Ji,T = (t)dt, (t) - нестабильность скорости вращения.
Полученное выражение (1) позволило оценить погрешность результата измерения в наиболее часто встречающихся на практике случаях: а) скорость вращения имеет гармоническую внутриоборотную нестабильность скорости вращения, б) скорость вращения имеет линейный дрейф. В работе показано, если линейный дрейф скорости вращения продолжается на протяжении всего времени измерений, проводимых в течение многих оборотов КЛ, то результат измерений содержит систематическую погрешность, а случайная погрешность характеризуется дисперсией, которая зависит от измеряемого угла : D ~ .
1- 2 2 Гармоническая внутриоборотная нестабильность скорости вращения вызывает систематическую погрешность угловых измерений, распределенную по гармоническому закону.
В диссертационной работе рассматривается новый фазо-временной метод измерений в лазерной гониометрии, заключающийся в том, что наряду с измерением фазы выходного сигнала КЛ производится измерение интервалов времени, сформированных выходными сигналами ДУ. Структурная схема фазовременного метода приведена на рисунке 1.
В рамках предложенного метода рассматриваются уравнения измерений, использование которых позволяет уменьшить погрешность результата измерений.
В работе показано, что использование уравнения измерений с компенсацией вертикальной составляющей скорости вращения Земли, которое имеет вид:
* ti Ni N2 E ~ 2 * = 2 устраняет погрешность, обусловленную вкладом скорости i * T E N2 (1 ) 2 вращения Земли, возникающую при нестабильной скорости вращения КЛ.
Неисключенная погрешность измерений определяется сдвигом нуля и нелинейностью выходной характеристики КЛ.
* E ti,T Ni, N2 (t) + КЛ (t)dt 2 ~ i Уравнение i измерений (t) t i ДУ ti,T ti, T t tdt Рисунок 1. Структурная схема фазо-временного метода измерений в лазерной гониометрии.
Дальнейшее повышение точности угловых измерений возможно при использовании уравнения измерений с компенсацией обобщенного сдвига нуля:
Ni F ti ~ ** = 2, где FТ - обобщенный сдвиг нуля (ОСН). Как показали i N2 F T экспериментальные исследования, обобщенный сдвиг нуля включает в себя кроме сдвига нуля выходной характеристики КЛ и вертикальной составляющей скорости вращения Земли, также относительное время задержки формирования сигналов в системе КЛ + ДУ, которое проявляется при наличии углового ускорения :
F = (K0 + K1* + K1).
E 2 Неисключенная погрешность угловых измерений определяется только нелинейностью выходной характеристики КЛ:
1 K-1 (T - i ) 1 i ~ ** = ** - i = + (Ji - JT i i ' K1 i iT ' 2 0 0 о Эксперимент показал, что при скорости вращения КЛ более 30 /с погрешность из-за нелинейности его выходной характеристики не проявляется.
В главе проанализирована предложенная методика определения ОСН.
Методика строится на использовании экспериментальной зависимости ( ), 2 из которой методами регрессионного анализа с использованием зависимости N2 = K1 + F T + K-1T ; где K-1 = K-1 / 2 определяется значение ОСН. Для уменьшения погрешности нахождения коэффициентов регрессии предлагается использовать так называемые скользящие значения Ni2, которые получены при измерении угла 2, со сдвигом меньшим, чем 2: Ni2 = Ni+k - Ni, где k число равномерных сдвигов внутри оборота. Результаты измерения ОСН в случае слабоускоренного вращения КЛ, вращения КЛ без стабилизации и со стабилизацией скорости его вращения показали, что погрешность измерения ОСН тем меньше, чем больше нестабильность скорости вращения.
В первой главе приводятся результаты экспериментальных исследований, проводимых с использованием рассмотренных выше уравнений измерений.
Проведенные исследования показали, что использование уравнения измерений с компенсацией ОСН позволяет уменьшить погрешность ЛГС, вызванную нестабильностью скорости вращения КЛ как для ЛГС без стабилизации скорости вращения, так и для ЛГС со стабилизацией скорости вращения КЛ.
В работе предложена обобщенная методика измерений, применение которой устраняет влияние на результат измерений основных источников погрешности кроме случайного углового дрейфа КЛ. Обобщенная методика измерений включает в себя:
Х устранение влияния нестабильности скорости вращения КЛ с помощью компенсации обобщенного сдвига нуля;
Х удаление линейного тренда с использованием метода наименьших квадратов на всей длине реализации;
Х фильтрацию в низкочастотной области с использованием дискретного преобразования Фурье: (tk ) = INF[H ( f )( f )], где INF означает обратное 0 0 f f1;
преобразование Фурье, H ( f ) =, 1 f > 23 f1;
( f ) -дискретное преобразование Фурье реализации (tk ).
Х фильтрацию (tk ) в высокочастотной области с использованием метода скользящего среднего.
Эффективность методики, оцененная для различных ЛГС с использованием D коэффициента эффективности =, где D1 - дисперсия оценки значения угла D без фильтрации сигнала; D2 - дисперсия оценки значения угла после фильтрации сигнала, приведена в таблице 1.
Таблица Коэффициент эффективности для различных ЛГС Характер угловой Нестабилизированная Стабилизированная скорости вращения КЛ Угловая скорость 150 90 30 60 1вращения, о/с Коэффициент 39 6,0 5,0 6,0 8,эффективности D2, (Ф)2 3,5 10-4 9,7 10-4 5,310-4 2,7 10-4 1,8 10-Экспериментально определенная модель погрешности при фазо-временном методе измерений с кольцевым лазером ГЛ-1 включает: угловой случайный дрейф КЛ; шум отметчика угла; угловой синусоидальный шум, который характерен для стабилизации скорости вращения КЛ. Если основными источниками шума являются шум отметчика угла и угловой случайный дрейф КЛ, то, как показали теоретические и экспериментальные исследования, возникает параболическая зависимость дисперсии случайной погрешности от измеряемого угла, описываемая выражением:
2D + 1 - [r T - 2D] 2 W 2, 0;2, D() = 0, = 0;2 где rw - коэффициент случайного дрейфа КЛ, T - время оборота КЛ, D - дисперсия погрешности датчика угла.
Полученная зависимость используется для выделения случайной погрешности КЛ и датчика угла из случайной погрешности результата измерений.
Вторая глава посвящена разработке и исследованию эталонных лазерных гониометрических систем. Анализ возможных схем построения показал перспективность построения эталонных систем на принципах комплексирования кольцевого лазера и оптического датчика угла (ОДУ). Кольцевой лазер реализует угловую шкалу на основе гармонической структуры электромагнитного поля в замкнутом оптическом резонаторе, которая имеет высокую равномерность. Но в силу своих особенностей она не обладает достаточной долговременной стабильностью. С другой стороны, современные технологии позволяют изготавливать угловые шкалы ОДУ с неравномерностью на уровне долей угловой секунды, характеризующиеся высокой стабильностью. Погрешность ОДУ не зависит от скорости вращения и измеряемого угла, но содержит в спектре высокие гармоники.
Различный характер случайных и систематических погрешностей КЛ и ОДУ, а также физический принцип формирования угловой шкалы кольцевого лазера открывают возможности создания эталонных ЛГС.
При комплексировании КЛ и ОДУ, в силу особенностей угловой шкалы КЛ, появляется возможность использования предложенного в данной работе модифицированного метода кросс-калибровки, который позволяет определять систематические погрешности КЛ и ОДУ при малом числе разворотов (М) кольцевого лазера. Метод заключается в следующем: кольцевым лазером в различных его положениях, отстоящих друг от друга на угол 2 / M, производится калибровка ОДУ, затем осуществляется усреднение результатов калибровки по положениям КЛ. Показано, что систематическая погрешность ОДУ, определенная как среднее, имеет методическую погрешность из-за наличия в систематической погрешности КЛ М-ой и кратной ей гармоник. Для определения М-ой гармоники нужно провести другую серию измерений с разворотами на углы 2 m / M1. При этом необходимо, чтобы M и М1 были бы не кратны друг другу.
Для определения систематической погрешности КЛ необходимо: из результатов калибровки, полученных в каждом положении КЛ, вычесть систематическую погрешность ОДУ и провести сдвиг каждого значения соответствующего массива на угол 2m/M. Затем усреднить соответствующие значения по всем массивам.
В результате проведенных экспериментальных исследований было установлено:
- систематическая погрешность КЛ, в основном, сосредоточена на частоте его вращения, ее амплитуда пропорциональна периоду вращения с коэффициентом пропорциональности равным 0,006 /с.
- систематическая погрешность ОДУ на основе голографической решетки, в основном, сосредоточена на 2-ой и 4-ой гармониках частоты вращения;
алгоритмическое усреднении сигналов с двух измерительных головок ОДУ устраняет влияние эксцентриситета установки его измерительной решетки на ротор ЛГС; долговременная стабильность систематической погрешности находится в пределах 0,05, а кратковременная - в пределах 0,01.
На основе результатов проведенных исследований осуществлен синтез эталонной ЛГС, блок схема которой представлена на рисунке 2.
Ее основу составляют: кольцевой He-Ne лазер моноблочной конструкции с периметром 0,4 м; оптический ДУ, шкала которого формируется голографическими методами и содержит 324000 меток на оборот; поворотный 1 - КЛ, 2 - двигатель, 3 - ОДУ, 4 Цмногогранная стол, взвешенный на призма, 5 - оптический нуль индикатор, 6- блок аэростатической опоэлектроники, 7 - система управления двигателем, 8 - ре и приводимый во персональная ЭВМ вращение электроРисунок 2. Схема эталонной ЛГС.
двигателем, управляемым высокоточной системой управления; интерференционный нуль-индикатор с многогранной призмой.
Принцип построения эталонной ЛГС был использован при создании Государственного первичного эталона (ГПЭ) единиц линейного ускорения и плоского угла при угловом перемещении твердого тела (ГЭТ 94-01). В ГПЭ хранение и воспроизведение единицы плоского угла на базовой скорости осуществляется вращающимся кольцевым лазером. Использование в составе установки ОДУ позволяет осуществлять передачу угла в расширенном диапазоне скоростей вращения и определять погрешности обоих датчиков. Многогранная призма и НИ выполняют вторичную функцию и предназначены для передачи размера единицы угла эталонам следующих разрядов и рабочим средствам измерения, а также для сличения с ГПЭ единицы плоского угла (ГЭТ 22-80).
Результаты исследований ГПЭ (ГЭТ 94-01) в разделе плоского угла приведены в таблице 2. Неисключенная систематическая погрешность ГПЭ определяется стабильностью параметров ОДУ и КЛ, которые зависят от времени, рабочих условий и прочих внешних факторов. Этим, в частности, объясняется существенное превышение составляющих погрешности эталона, указанных в ГОСТ 8.577-2002: неисключенная систематическая погрешность - =0,05, СКО результата измерений S =0,04 при 30 измерениях, по сравнению с результатами, представленными в таблице.
Таблица Частота ОДУ КЛ вращения, систематическая случайная Неисключенная случайная рад/с погрешность, систематическая погрешность погрешность,(Ф) погрешность, (Ф) (Ф) ( ) (Ф) ( ) 0,22 0,009 0,003 0,0 0,22 0,007 0,006 0,02/0,22 0,006 0,01 0,/0,22 0,008 0,006 0,0/Сличения ГПЭ единицы плоского угла при угловом перемещении твердого тела (ГЭТ 94-01) с ГПЭ единицы плоского угла с использованием 12-гранной эталонной призмы подтвердили достоверность результатов исследования ГЭТ 9401, выявив отличия в результатах сличений не более 0,03Ф.
На основе эталонной ЛГС совместно с ГУП ВНИИМ им. Д.И.Менделеева был создан Измерительно-вычислительный комплекс УППУ-1 (ИВК), предназначенный для автоматизированного контроля высокоразрядных цифровых преобразователей угла (ЦПУ) перспективных объектов ВВТ межвидового назначения. ИВК обеспечивает измерение основных характеристик ЦПУ в соответствии с ГОСТ РВ 52015-2003 и стандартами ГСИ в диапазоне углов 0 360о;
угловых скоростей (30 720)о/с; угловых ускорений (0 20)о/с2. В отличие от ГПЭ ГЭТ 94-01 в ИВК образцовым датчиком угла, с помощью которого осуществляется измерение характеристик ЦПУ, является ОДУ. Кольцевой лазер служит для хранения единицы плоского угла и определения систематической погрешности ОДУ на базовой скорости. По своим метрологическим характеристикам ИВК относится к эталонам 1-го разряда, что предъявляет высокие требования к условиям его эксплуатации, а также выбору методов и средств испытаний комплекса. При определении суммарной погрешности ИВК были учтены следующие ее компоненты: случайная погрешность и неисключенная систематическая погрешность ГПЭ по ГОСТ 8.577-2002; систематическая и случайная погрешности при базовом значении угловой скорости ротора;
систематическая погрешность влияния угловой скорости ротора; систематическая погрешность влияния углового ускорения ротора. Впервые при передаче размера единицы плоского угла от ГПЭ ГЭТ 94-01 средству измерения был использован КЛ.
Передача осуществлялась на базовой скорости 2 рад/с.
Проведенные исследования метрологических характеристик комплекса показали, что СКО суммарной погрешности не превышает 0,04Ф во всем диапазоне угловых скоростей и угловых ускорений. Комплекс зарегистрирован в Государственном реестре под № 32850-06 и допущен к применению в Российской Федерации как средство измерения военного назначения.
В третьей главе рассматриваются вопросы разработки и исследования лазерных гониометрических систем, обеспечивающих поверку и калибровку как измерительных преобразователей угла, работающих в динамическом режиме, так и многогранных призм (МП). Показано, что лазерный динамический гониометр (ЛДГ) позволяет решить поставленную задачу с высокой точностью и без участия оператора в процессе измерений. Источники погрешности ЛДГ для калибровки МП представлены на рисунке 3. ЛДГ для калибровки МП включает в себя кроме КЛ интерференционный нуль-индикатор (ИНИ) [2], который работает в динамическом режиме и фиксирует момент совпадения нормали к грани МП с оптической осью ИНИ.
Погрешность шкалы КЛ рассмотрена в предыдущих разделах данной работы.
Погрешность измерения, связанная с установкой оптической детали, является общей при оптических методах измерения, однако в ЛДГ она принимает особое значение в силу отсутствия внутреннего инструмента для юстировки оптической призмы. Поэтому для сведения этой погрешности к минимуму для юстировки многогранных призм, устанавливаемых на столик ЛДГ, необходимо использовать Погрешность ЛДГ Погрешность считывания и Погрешность Погрешность наведения лимба (КЛ) установки детали Влияние Влияние Влияние нестабильности магнитного поля наведения скорости вращения Неплоскостность Формирование отражающей выходного Случайный поверхности сигнала угловой дрейф Рисунок 3. Основные источники погрешности ЛДГ для калибровки многогранных призм.
внешний визуальный автоколлиматор.
Погрешность считывания и наведения определяется погрешностью ИНИ, которая включает погрешность выставки (наведения); погрешность, возникающую при формировании выходного сигнала; влияние неплоскостности отражающей грани МП. Последняя составляющая погрешности присутствует во всех средствах измерения, использующие оптический принцип измерения. Проведенные сравнительные измерения с использованием автоколлиматора, фазового интерферометра, ИНИ показали, что результаты измерений, полученные с ИНИ, лучше согласуются с результатами, полученными с фазовым интерферометром, чем с автоколлиматором.
В процессе преобразования оптического сигнала в фотоприемном устройстве ИНИ и последующем формировании выходного сигнала ИНИ появляется дополнительная погрешность угловых измерений. В результате проведенного анализа были определены составляющие погрешности, возникающие в различных схемах формирования выходного сигнала при использовании в ИНИ различных светоделительных призм. Результаты анализа представлены в таблице 3.
Особенностью ИНИ является его чувствительность по одной координате, которая обуславливает проблему его установки в плоскости измерения.
Теоретически и экспериментально показано, что наклон измерительной плоскости ИНИ при измерении углов МП приводит к появлению систематической погрешности, сосредоточенной на частоте вращения МП.
Таблица Характеристика С разностью фаз 0, рад С разностью фаз светоделительной /2 рад призмы Схемы С постоянным С автоматически С нулевым формирования уровнем регулируемым уровнем вых. сигнала срабатывания уровнем срабатывания срабатывания Источник Различный Нестабильность нет систематической коэффициент скорости вращения погрешности отражения граней МП МП Случайная нет < 0,01Ф при < 0,01Ф при отн.
погрешность сигнал/шум > 60 нестабильности скорости вращения < 1% В данной работе показано, что при использовании метода кросс-калибровки систематическая погрешность ЛДГ находится из выражения: bi = i - , N N 1 где i = ji , = , - отклонение i-го полного угла МП от ji i N N j=1 i=его номинального значения, измеренного в j-ом положении МП; N - число разворотов МП.
D Db = При этом, СКО оценки bi равно:, где D - дисперсия i N результатов однократного измерения.
На рисунке 4 представлены результаты определения систематической погрешности ЛДГ, полученные с использованием 8-гранной призмы. Здесь также представлен результат синусоидальной регрессии, проведенной с использованием метода наименьших квадратов. Результат регрессии, описывающий систематическую погрешность ЛДГ, имеет вид:
b () = 0,113 sin( + 58) + 0,021 sin(2 -10), где аргумент синуса выражен в градусах.
Из результатов экспериментальных исследований ЛДГ делаются выводы, что при калибровке МП на ЛДГ:
Х нет необходимости проводить измерения во всех положениях МП, достаточно провести измерения при ее разворотах на 90о;
Х не нужно обеспечивать высокую точность угла разворота МП, погрешность разворота может достигать 5о.
Систематическая погрешность ЛДГ в основном 0,определяется погрешностями 0,КЛ и ИНИ, которые сосредоточены на частоте 0,вращения МП. В главе 0,проводится анализ -0,предложенной методики выставки ИНИ, которая -0,позволяет уменьшить вклад -0,0 60 120 180 240 300 3систематической погрешности Угол, о ИНИ. Методика выставки заключается в определении Рисунок 4. Систематическая погрешность ЛДГ.
точки пересечении двух зависимостей амплитуды " Погрешность ЛДГ, первой гармоники систематической погрешности ЛДГ от угла наклона ИНИ, полученной при произвольной начальной разности фаз между погрешностями, вносимыми КЛ и ИНИ, и полученной при изменении начальной разности фаз на 180о.
Математическое моделирование методики выставки доказала возможность выставки измерительной плоскости ИНИ с погрешностью менее 0,03Ф.
Калибровка ЛДГ, проведенная в Швейцарском национальном метрологическом институте, подтвердила достоверность проведенных исследований и позволила сделать вывод, что систематическая погрешность практически отсутствует при калибровке многогранной призмы на ЛДГ, проводимой по методу кросс-калибровки.
В главе 3 проведено исследование метрологических характеристик ЛДГ, предназначенного для калибровки оптических ДУ. Систематическая погрешность ЛДГ для калибровки оптических ДУ складывается из погрешности КЛ и погрешности, обусловленной погрешностями установки ДУ на ротор гониометра, а также погрешностями соединительной или встроенной в датчик муфты. Для ее устранения используются методы, основанные на разворотах как статора, так и ротора ДУ. Число и характер разворотов определяется рекомендациями производителей ДУ либо характеристиками используемой внешней соединительной муфты.
Сличения с национальным эталоном плоского угла 0,Германии посредством датчика 0,угла RON-905 позволили определить точностные 0,характеристики ЛДГ.
Результаты сличений -0,представлены на рисунке 5. При калибровке RON-905 на ЛДГ для -0,устранения погрешностей 0 90 180 270 3установки использовалась угол поворота ротора ДУ, о методика, предложенная фирмой Рисунок 5. Результаты калибровки RON-9Heidenhain и использованная в в национальном метрологическом институте международных сличениях.
Германии (PTB) (1) и ЛДГ (2).
Анализ результатов сличения показал, что максимальное отличие не превышает 0,03Ф.
погрешность ДУ, " Глава 4 посвящена исследованию лазерного динамического гониометра, предназначенного для автоматизации измерений показателя преломления твердых и жидких тел. В главе проведен анализ схем измерения показателя преломления по методу призм: схемы с вращающейся вместе с КЛ призмой и неподвижным зеркалом, используемой для реализации метода произвольного угла отклонения;
схемы с неподвижной призмой и вращающимся вместе с КЛ зеркалом, используемой для реализации метода угла наименьшего отклонения.
При измерении показателя преломления световой луч ИНИ дважды проходит через измеряемую призму, испытывая при этом влияние дисперсии показателя преломления призмы. Видность интерференционной картины, поступающей на фотоприемное устройство ИНИ после двойного прохождения призмы и нормального отражения от зеркала, будет определяться значением дисперсии призмы, шириной линии излучения ИНИ. В данной главе показано, что распределение интенсивности j(x,) в интерференционной картине на фотоприемном устройстве ИНИ после нормального отражения от зеркала и последующего прохождения оптической призмы имеет вид:
sin[k(2x + h) / 2] j(x,) = j {1+ cos[k(2x + h]}, где k - волновой вектор k(2x + h) / световой волны; h - расстояние между центрами двух световых пучков, выходящих из ИНИ; x - расстояние, измеряемое от центра интерференционной картины; 2 - угол между интерферирующими пучками; - угловая дисперсия призмы.
Проведенная оценка показала, что для большинства твердых и жидких тел, видность интерференционной картины будет достаточной для регистрации интерференционного импульса, если в качестве источника излучения используется лазер.
Исследование схемы с вращающейся вместе с КЛ призмой и неподвижным d зеркалом показало, что отношение скорости изменения угла отклонения к dt d скорости изменения угла падения определяется выражением:
dt sin cos - arcsin n d cos = 1- , где - преломляющий 2 d sin 1- sin 1- n sin - arcsin n n d угол призмы. На рисунке 6 приведена зависимость q-1 = ( )-1 от угла падения d при n = 1,5143, = 50о.
Из рисунка 6 следует, что вблизи угла наименьшего отклонения скорость 2изменения угла отклонения уменьшается в десятки раз. Это обстоятельство 1приводит к значительному уширению интерференционного импульса и, как следствие, к снижению точности угловых измерений. Второй -10 20 40 60 o особенностью, затрудняющей реализацию рассматриваемого метода, Рисунок 6. Отношение скорости является разная амплитуда изменения угла падения к скорости интерференционных импульсов, изменения угла преломления.
отраженных от грани призмы и от зеркала.
В методе произвольного угла отклонения для определения показателя преломления необходимо знать значения трех углов: угла падения - 1, угла отклонения - и угла при вершине призмы - . В рассматриваемой схеме измерений с ЛДГ возможно измерение только двух углов ( и 1). Для нахождения угла отклонения нужно использовать метод замещения, когда исследуемая призма замещается эталонной с известным показателем преломления. Экспериментальные исследования, проведенные с эталонной призмой, показали, что рассматриваемый метод обеспечивает измерение показателя преломления на уровне 10-5.
Использование ЛДГ в схеме с неподвижной призмой и вращающимся вместе с КЛ зеркалом позволяет автоматизировать процесс измерения угла наименьшего отклонения. Для этого предлагается следующий метод измерения угла наименьшего отклонения:
Х проводится серия измерений угла отклонения при различных угловых положениях призмы относительно неподвижного луча ИНИ. Измерения проводятся в зоне угла наименьшего отклонения;
Х строится экспериментальная зависимость угла отклонения от угла падения;
Х полученная зависимость аппроксимируется полиномом, по которому численным методом находится угол наименьшего отклонения.
Для осуществления синтеза ЛДГ, позволяющего проводить измерения показателя преломления с погрешностью 10-6, решались следующие вопросы:
определение допустимой погрешности угловых измерений; определение степени аппроксимирующего полинома; определение допустимого шага позиционирования призмы при заданной погрешности позиционирования.
-q В результате проведенного математического моделирования было установлено, что для решения поставленной задачи:
Х необходимо проводить измерения угла наименьшего отклонения и преломляющего угла призмы с погрешностью не хуже 5 10-7 рад;
Х погрешность аппроксимации не должна превышать 2 10-2 Ф; это условие выполняется, если измерения проводятся в области угла наименьшего отклонения и при диапазоне угловых перемещений призмы: 1 1о используется полином не ниже 2-ой степени, при 1 3о используется полином не ниже 3-ий степени, при 6о используется полином не ниже 4ой степени.
1- корпус ЛДГ; 2- зеркало; 3Х погрешность определения платформа; 4- стопор; 5- вал с угла наименьшего отклонения редуктором червячного типа; 6шаговый двигатель; 7- площадка с составляет значение 0,07Ф, если шаг призмой; 8- вращающийся столик позиционирования призмы не ЛДГ; 9- нуль-индикатор.
превышает 6Т, а нестабильность шага Рисунок 7. Блок схема находится на уровне 10% от его экспериментального гониометразначения. спектрометра.
Блок схема экспериментального гониометра спектрометра приведена на рисунке 7.
Испытания макета гониометра-спектрометра проводились с призмой, изготовленной из стекла марки К-8 и имеющей преломляющие углы близкие к 50о, 60о и 70о. Гониометр-спектрометр находился в лабораторных условиях, при этом температура, влажность и давление воздуха не контролировались. Измерения показателя преломления осуществлялось по двум преломляющим углам на длине волны излучения He-Ne лазера. Шаг позиционирования призмы был равен (235)". Погрешность определения угла наименьшего отклонения составляла 0,1".
Значения показателя преломления, измеренные по двум углам призмы 60о и 50о равны: n60 = 1,515547; n50 = 1,515543, соответственно. Полученные результаты продемонстрировали возможность лазерного гониометра-спектрометра проводить измерения показателя преломления с погрешностью на уровне 10-6.
С использованием лазерного динамического гониометра-спектрометра на основе рассмотренного выше метода измерения угла наименьшего отклонения во ВНИИ оптико-физических измерений (г. Москва) был создан эталон единицы показателя преломления ГЭТ 138-2003.
Общий вид гониометра-спектрометра в составе государственного первичного эталона единицы показателя преломления твердых и жидких веществ приведен на рисунке 8. Исследования ГЭТ 138-2003 показали, что СКО измерения показателя преломления не превышает 110-6, а 1 - антивибрационная платформа; 2 - гониометрнеисключенная системаспектрометр с кольцевым лазером; 3 - вращающаяся платформа; 4 - световолоконный жгут; 5 - эталонная тическая погрешность призма; 6 - интерференционный нуль-индикатор; 7 - 210-6 при доверительной термодатчик; 8 - зеркала; 9 - шаговый двигатель; 10 - вероятности 0,99.
двустороннее зеркало; 11 - поворотный стол.
Рисунок 8. Общий вид гониометра-спектрометра в составе государственного первичного эталона единицы показателя преломления.
Глава 5. Новые промышленные технологии выдвигают задачу прецизионной высокоскоростной оценки сложного углового движения самых разнообразных объектов. В главе рассматриваются методы и средства лазерной гониометрии, предназначенные для решения поставленной задачи.
азерный динамический гониометр-автоколлиматор (ЛДГА) предназначен для бесконтактного определения углового положения объекта. Блок схема ЛДГА представлена на рисунке 9.
Вращающаяся вместе с КЛ многогранная призма осуществляет сканирование луча ИНИ в плоскости ее вращения. При нормальном падении луча ИНИ на опорное и контролируемое зеркала производится измерение внешнего угла () с использованием КЛ согласно схеме, приведенной на рисунке 1. При этом, уравнение измерения необходимо дополнить множителем равным 2.
В главе проведен анализ диапазона измерений ЛДГА. Максимальный диапазон измерений определяется диапазоном сканирования луча ИНИ, который 2e + b 2e - b c = 2[ + arccos( ) - arccos( )] равен, где - центральный угол гр гр D D между гранями МП; e - расстояние от центра МП до центра светового луча НИ (эксцентриситет); b - ширина светового луча НИ; D - диаметр описанной вокруг МП окружности. Так как при угловом перемещении контролируемого зеркала нормальное падение светового луча НИ будет осуществляться на различных участках этого зеркала, то диапазон измерений, в основном, определяется размерами этого зеркала. На практике максимальный диапазон измерений ЛДГА находится на уровне 20о, уменьшаясь до единиц градусов на расстоянии в 1 м. Для увеличения диапазона измерений, 1 - кольцевой лазер; 2 - многогранная в главе проанализированы схемы призма в начале диапазона измерения; 3 построения ЛДГА с многогранная призма в момент измерения; использованием телескопической - нуль-индикатор; 5 - опорное зеркало; 6 - афокальной системы и с внешнее контролируемое зеркало.
Рисунок 9. Блок схема лазерного плоскопараллельной пластиной.
динамического гониометра-автоколлиматора.
ДГА может работать в двух режимах: 1) режиме измерения углового положения неподвижного зеркала; 2) режиме измерения изменяющегося углового положения зеркала. Основное отличие двух режимов работы ЛДГА заключается в том, что режим л1 позволяет использовать методы статистического осреднения и тем самым уменьшать случайную составляющую погрешности измерений, в режиме л2 использование методов статистического осреднения затруднено. Для ЛДГА в режиме л1 характерны погрешности, которые имеет ЛДГ для калибровки МП. В режиме л2 у ЛДГА возникают погрешности, обусловленные задержками в каналах формирования выходных сигналов КЛ и ИНИ, а также систематическая погрешность, вызванная неплоскостностью граней сканирующей МП.
Проведенный анализ показал, что при использовании в регистрирующей аппаратуре современной электронной элементной базы, погрешность, вызванная задержками, пренебрежимо мала. Систематическая погрешность k из-за неплоскостности граней сканирующей МП определяется при измерении постоянного внешнего угла из соотношения k = k - k, где k - значение внешнего угла, измеренное на k - ой грани сканирующей призмы, k - усредненное по всем граням сканирующей призмы значение внешнего угла. Для устранения рассматриваемой систематической погрешности производится ее алгоритмическая компенсация.
С целью определения действительных характеристик ЛДГА, была произведена его калибровка в режиме измерения постоянного угла. Калибровка ЛДГА в режиме измерения переменного угла во всем его диапазоне в настоящее время невозможна из-за отсутствия эталонных средств измерения переменного угла. Для калибровки ЛДГА был использован образцовый столик УДП-0,25 с 4-х гранной призмой со сторонами, имеющими форму квадрата размером 100 x 100 мм и неплоскостностью менее /10. Результаты калибровки показали, что в диапазоне измерения 0о - 15о систематическая погрешность ЛДГА составляет 0,1Ф, а случайная погрешность - 0,08Ф. Следует отметить, что результат калибровки содержит погрешность УДП-0,25, которая сравнима с погрешностью ЛДГА.
В главе рассмотрены некоторые примеры использования ЛДГА для измерения угла в динамике. С использованием ЛДГА была проведена калибровка в динамическом режиме лазерного интерферометра, входящего в состав образцовой установки УСГ-2М, предназначенной для воспроизведения вибрационных и угловых ускорений в диапазоне частот (0,02 - 0.1) Гц и в диапазоне амплитуд (20 - 200)Ф. Особенность схемы измерений заключалась в использовании в составе ЛДГА преобразователя плоскости сканирования, который позволяет реализовывать в ЛДГА 2-х координатный режим измерения.
ДГА был использован для определения закона движения зеркала оптического сканера, предназначенного для линейного сканирования пространства предметов в диапазоне (0-10)о с периодом 160 с. Обработка результатов измерений с использованием аппарата регрессионного анализа позволила определить величину постоянной угловой скорости с погрешностью 10-3 Ф/с, а также угловые колебания с амплитудой 2,5Ф и частотой 0,05 Гц. Погрешность измерения не превышала 0,2Ф.
Задача оценки сложного углового движения объекта в широком диапазоне варьируемых угловых скоростей и ускорений потребовала перехода к новому методу лазерной гониометрии, в котором инерциальные свойства КЛ выходят на первый план.
На рисунке 10 приведена блок схема лазерного инерциального гониометра (ЛИГ), установленного на испытуемом стенде. Концепция построения ЛИГ основана на использовании кольцевого лазера, измеряющего угол поворота в инерциальном пространстве ( КЛ ), и оптического ДУ, регистрирующего угол поворота ротора ЛИГ относительно его статора (ОДУ ). Смещение рабочей точки КЛ I - ЛИГ; II - испытуемый стенд; III - неподвижное основание.
1 - опорное зеркало; 2 - ИНИ; 3 - КЛ; 4 - ОДУ; 5 - блок электроники; 6 - персональный компьютер; 7 - двигатель; 8 - система управления.
Рисунок 10. Блок схема ЛИГ.
создается за счет стабилизации угловой скорости его вращения по выходным сигналам КЛ. При установке ЛИГ непосредственно на испытуемый стенд уравнение измерения имеет вид: = - . Уменьшение погрешности КЛ ОДУ обусловленной случайным дрейфом КЛ достигается постоянной калибровкой КЛ на естественном угле 2, воспроизводимом на каждом обороте ротора ЛИГ с помощью вращающегося нуль-индикатора и зеркал, установленных на неподвижном основании.
Исходя из анализа схемы измерения ЛИГ, оценка динамики углового движения стенда почти полностью переносится на ОДУ. Его выходной сигнал будет изменяться в широком динамическом диапазоне, определяемым характером вращения испытуемого стенда. Проведенный анализ девиации выходного сигнала ОДУ показал, что с целью уменьшения фазовых искажений входного сигнала полоса пропускания фотоприемника должна быть на уровне 10 МГц. При этом в выходных сигналах КЛ и ИНИ фазовых искажений, приводящих к заметным динамическим погрешностям, не происходит. Полная погрешность измерений ЛИГ определяется погрешностями компонентов системы и погрешностью алгоритма обработки данных. Для системы в целом полная погрешность измерений является композицией систематической, случайной и динамической погрешностями измерений.
Экспериментальные и теоретические исследования ЛИГ показали, что в диапазоне скоростей 180 о/с и ускорений 25 о/с2 его погрешность не превышает 0,5Ф. Увеличение погрешности измерений ЛИГ по сравнению с ЛДГ во многом обусловлены невозможностью проведения статистических усреднений и погрешностью ИНИ, вызванными флуктуациями воздушной среды на пути распространения его светового луча.
В приложении приводится описание устройства регистрации сигналов (УРС), разработанного для функционального ряда лазерных динамических гониометров. Общий подход при создании УРС функционального ряда лазерных динамических гониометров основан на реализации программно управляемого устройства, включающего в себя универсальный модуль и программу для его обслуживания. Основой для его разработки послужил комплекс задач, решаемых каждым лазерным динамическим гониометром, и особенности используемых сигналов.
Основу УРС составляют две интегральные микросхемы программируемой логики (ПЛИС) и две интегральные микросхемы (ИС) оперативной памяти.
Функциональным назначением первой ПЛИС является решение интерфейсных задач связи HOST компьютера с логическим центром платы, реализованным на второй ПЛИС. Интерфейс HOST компьютера с УРС ориентирован на ресурсы LPT порта, работающего в ускоренном режиме.
Загружаемая из ПК через интерфейсную ИС конфигурация схемы ПЛИС создает схему, требуемую для организации заданного режима работы. Разбиение схем на функциональные блоки соответствует разбиению общей задачи на отдельные подблоки. Упрощенная функциональная схема ИС базовой обработки измерительной информации приведена на рисунке 11.
Требование сохранения значительного объема экспериментальных данных потребовало введения в состав платы двух схем динамической памяти. В результате плата может сохранять до 16 мегабайт данных. Управляющие сигналы ЛДГ и кодовые данные ДУ поступают на схему ПЛИС через интерфейсные ИС. Работа устройства обеспечивается осциллятором, формирующим частоту 30 МГц. В зависимости от выбранного режима работы требования к устройству регистрации меняются. Соответственно должны изменяться структура и характеристики УРС.
Работу УРС в составе углоизмерительного комплекса поддерживает программное обеспечение, размещаемое в ПК. Для упрощения создания разнообразных приложений и возможных модернизаций комплекса ПО выполнено в форме динамических библиотек.
к ИС связи сигналы Обработка данные Счетчики управляющих данные сигналов код Предварительная обработка адрес Контроллер кодов РАМ адрес управление Управление чтением записью управление старт Управление Счетчики готовность от ИС Обработка запуском выборок стор выборок связи к ИС связи остановкой каналов Рисунок 11.
Программные модули выполняют следующие основные функции: загрузку конфигурации, выбор режима работы, выполнение тестовых процедур, набор и ввод установочных параметров выбранного режима, запуск эксперимента, контроль за проведением эксперимента, возможность ручного досрочного завершения эксперимента, просмотр и сохранение данных эксперимента на внешнем носителе, сохранение состояния тестирующей установки. Для удобства работы создана программа - оболочка с графическим интерфейсом.
Заключение В результате выполнения диссертационной работы были научно обоснованы технические решения, внедрение которых позволило создать ГПЭ единицы показателя преломления твердых и жидких тел, а также ГПЭ единицы плоского угла и государственную поверочную схему для средств измерений плоского угла при угловом перемещении твердого тела, а также заложить основы для создания объединенного эталона единицы плоского угла и ГПС, обеспечивающих единство измерений постоянных и изменяющихся во времени угловых величин.
Основные результаты диссертационной работы.
1. Предложен и исследован фазо-временной метод измерений в лазерной гониометрии, в котором наряду с измерением фазы выходного сигнала КЛ производится регистрация времени фазовых измерений. Метод включает уравнения измерений, использование которых уменьшает погрешность результата измерений, вызванную нестабильностью скорости вращения КЛ. Применение к ИС памяти рассмотренных уравнений измерений в экспериментальных исследованиях ЛГС подтвердили достоверность теоретических выводов.
2. На основании проведенных исследований предложена объединенная методика измерений, состоящая из компенсации обобщенного сдвига нуля и фильтрации шума, позволяющая уменьшить влияние всех типов шумов кроме случайного дрейфа КЛ, уменьшить погрешность измерения и тем самым приблизиться к теоретическому пределу точности измерений в лазерной гониометрии.
3. Предложен и исследован метод построения эталонных лазерных гониометрических систем, заключающийся в комплексировании КЛ и оптического ДУ, позволяющий реализовывать эталонные системы различного уровня. В зависимости от назначения ЛГС воспроизведение и передача единицы плоского угла может осуществляться как КЛ, так и оптическим ДУ.
4. На основе предложенного метода создан Государственный первичный эталон единицы плоского угла при угловом перемещении твердого тела, входящий в состав объединенного эталона ГЭТ 94-01, который предназначен для воспроизведения, хранения и передачи единицы линейного ускорения и единицы плоского угла в пределах от 0,2Ф до 360О, СКО результата измерения S = 0,04Ф при 30 независимых измерениях и неисключенную систематическую погрешность = 0,05Ф. Сличения ГЭТ 94-01 с ГПЭ единицы плоского угла с использованием 12гранной эталонной призмой подтвердили достоверность результатов исследований.
5. Создан и исследован измерительно-вычислительный комплекс для автоматизированного контроля высокоразрядных цифровых преобразователей угла, характеризующийся СКО суммарной погрешности 0,04Ф в диапазоне угловых скоростей (30 720) О/с и угловых ускорений (0 20) О/с2. Впервые для передачи размера единицы плоского угла от ГПЭ ГЭТ 94-01 использован кольцевой лазер. ИВК зарегистрирован в Государственном реестре под № 3285006 и допущен к применению в Российской Федерации как средство измерения военного назначения.
6. Исследованы методы анализа, на основе которых проведены исследования точностных характеристик ЛДГ, предназначенных для поверки и калибровки ДУ, работающих в динамическом режиме, и многогранных призм.
Калибровка ЛДГ, проведенная в Швейцарском национальном метрологическом институте, подтвердила достоверность проведенных исследований. Сличения ЛДГ с национальным эталоном плоского угла Германии посредством датчика угла RON-905 позволили определить погрешность ЛДГ при калибровке датчиков угла, которая не превысила 0,03Ф.
7. Предложен и исследован автоматизированный метод измерения угла наименьшего отклонения в схеме с неподвижной призмой и вращающимся совместно с КЛ зеркалом. Метод состоит в измерении угла отклонения при последовательных разворотах призмы вблизи угла наименьшего отклонения с последующей аппроксимацией экспериментальной кривой полиномом, по которому численным методом находится угол наименьшего отклонения.
Предложенный метод используется в ГПЭ единицы показателя преломления (ГЭТ 138-2003).
8. Проведенные исследования показали, что средства лазерной гониометрии, такие как ЛДГА, реализующий бесконтактный метод измерений в угловом диапазоне не менее 20о, и ЛИГ, реализующий контактный метод измерений в неограниченном угловом диапазоне с высокой частотой регистрации данных, обеспечивают проведение динамических угловых измерений с погрешностью менее 2,4 10-6 рад.
Цитированная литература 1. Филатов, Ю. В. Методы и средства лазерной гониометрии: автореф. дис.
Е д-ра техн. наук / Ю.В. Филатов; Ленингр. ин-т точной механики и оптики. - Л.:
Изд-во ЛИТМО, 1991.
2. Блантер, Б. Е. Экспериментальное исследование точности магнитных преобразователей / Б.Е. Блантер // Измерительная техника. - 1977. - №7. - С.40.
3. Ванюрихин, А.И. Автоматизированный гониометр на основе кольцевого лазера /А.И. Ванюрихин, И.И. Зайцев// Оптико-механическая промышленность. - 1982. - №9. - С. 28.
4. Состояние и перспективы создания средств передачи размера единицы плоского угла, угловой скорости и ускорения на основе кольцевых лазеров / Б.Э. Блантер и др. // Измерительная техника. - 1984. - №7. - С. 27.
5. Aronowitz, F. // Optical Gyros and their Application. RTO AG - 339. - 1999. - May. - P. 3-1.
Основные публикации по теме диссертационной работы В рецензируемых журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России для публикации материалов докторских диссертаций:
1. Павлов, П.А. Контроль углового положения стенда с помощью лазерного гониометра / П.А. Павлов, А.М. Юдин // Изв. Ленингр. электротехн. ин-та. - 1985. - Вып. 352. - С. 5.
2. Экспериментальное исследование интерференционного нуль-индикатора углового положения объекта / Е.П. Кривцов, П.А. Павлов, Ю.В. Филатов, А.М. Юдин // Измерительная техника. - 1986. - №4. - C. 11.
3. Павлов, П.А. Анализ погрешности измерения угла при использовании телескопической системы / П.А.Павлов, А.М. Юдин // Изв. Ленингр. электротехн.
ин-та. - 1986. - Вып. 366. - С. 65.
4. Архангельский, Б.В. Экспериментальное исследование двухкоординатного лазерного измерителя углового положения объекта / Б.В. Архангельский, П.А. Павлов // Изв. Ленингр. электротехн. ин-та. - 1987. - Вып. 387. - С. 46.
5. Лазарева, Н.Б. Выбор метода оценки параметров углового движения гиростабилизированной платформы лазерным измерителем / Н.Б. Лазарева, П.А. Павлов // Изв. Ленингр. электротехн. ин-та. - 1989. - Вып. 412. - С. 46.
6. Павлов, П.А. Лазерное угломерное устройство с расширенным диапазоном измерения /П.А. Павлов, Ю.В. Филатов, А.М. Юдин // Изв. Ленингр.
электротехн. ин-та / Ленингр. гос. электротехн ин-т - 1990. - Вып. 427. - С. 63.
7. Павлов, П.А. Результаты калибровки многогранных призм с помощью лазерного гониометра ИУП-1Л / П.А. Павлов, Ю.В. Филатов // Изв. гос.
электротехн. ун-та (Известия Государственного электротехнического университета) - 1997. - Bып. 509. - C.41.
8. Лазерные системы динамической аттестации угловых преобразователей различного типа / М.Н. Бурнашев, Д.П. Лукьянов, П.А. Павлов, Ю.В. Филатов // Изв. гос. электротехн. ун-та (Известия Государственного электротехнического университета) - 1997. - Вып. 509. - С. 36-40.
9. 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.
10. Разработка и исследование динамических гониометров на основе оптических датчиков угла для контроля цифровых преобразователей У угол- кодФ / М.Ю. Агапов, Е.Д. Бохман, М.Н. Бурнашев, Д.П. Лукьянов, А.В. Миронов, П.А. Павлов, Д.С. Сушко, Ю.В. Филатов // Изв. СПбГЭТУ ЛЭТИ. Сер.
Приборостроение и информационные технологии (Известия Государственного электротехнического университета) - 2004. - Вып.1. - C. 29-39.
11. Измерение показателя преломления на гониометре в динамическом режиме / Г.Н. Вишняков, Г.Г. Левин, С.В. Корнышева, Г.Н. Зюзев, М.Б. Людомирский, П.А. Павлов, Ю.В. Филатов // Оптический журнал. - 2005. - Т.
72, №12. - С. 53 - 58.
12. Павлов, П.А. О способе уменьшения систематической погрешности определения направления интерференционным нуль-индикатором / П.А. Павлов // Изв. СПбГЭТУ ЛЭТИ. Сер. Приборостроение и информационные технологии (Известия Государственного электротехнического университета) - 2006. - С. 34 - 37.
13. Павлов, П.А. Анализ алгоритмов измерений лазерным динамическим гониометром / П.А. Павлов // Измерительная техника. - 2008. - №1. - С. 17.
14. Павлов, П.А. Метод уменьшения случайной погрешности лазерного динамического гониометра / П.А. Павлов // Измерительная техника. - 2008. - №7. - С. 25.
В других изданиях:
15. Лукьянов, Д.П. Прецизионные бесконтактные системы контроля углового положения объекта / Д.П. Лукьянов, П.А. Павлов, Ю.В. Филатов.Ц Л.:
ДНТП, 1984.
16. Precision angle measurement in a diffractional spectrometer by means of a ring laser / M. Burnashev, Y. Filatov, K. Kirianov, D. Loukianov, A. Mesentcev, P. Pavlov // Measurement Science and Technology. - 1998. - Vol. 9, N7. - PP. 10671071.
17. Filatov Yu.V., Loukianov D.P., Pavlov P.A., Burnaschev M. N. // Optical Gyros and their Application. RTO AG - 339. - 1999. - May. - P. 12-1.
18. Экспериментальные исследования динамического гониометра для измерения мгновенного углового положения платформ испытательных стендов / М.Н. Бурнашев, Д.П. Лукьянов, П.А. Павлов, Ю.В. Филатов // Материалы XXII межотрасл. науч.-техн. конф. памяти Н. Н. Острякова, Санкт-Петербург, 2000 г. - СПб., 2000.
19. Reproduction of plane angle unit in dynamic mode by means of ring laser and holographic optical encoder /M.N. Bournachev, Y.V. Filatov, D.P. Loukianov, P.A. Pavlov, A.E. Sinelnikov // Proceedings of 2-nd EUSPEN internatioinal conference, Turin, May 2001. - Turin, 2001. - PP. 322-325.
20. Development and tests of RLG based system for dynamic angle measurements / M.N. Burnashev, Yu.V. Filatov, D.P. Loukianov, P. Pavlov, R. Probst, A. Just // Proc. of Symp. Gyro Technology, Stuttgart, 2001.
21. Синельников, А.Е. Новый эталон России в области измерения низкочастотных параметров движения /А.Е. Синельников, В.Н. Кудрявцев, П.А. Павлов // Гироскопия и навигация.Ц 2003.Ц №1 (40).Ц C. 63 - 75.
22. Метрологическое обеспечение цифровых преобразователей угла на основе лазерной динамической гониометрии / М.Н. Бурнашев, Е.П. Кривцов, П.А. Павлов, Ю.В. Филатов // Наука, образование и общество в 21 веке: материалы междунар. науч.-техн. конф., Санкт-Петербург, 2006 г. - СПб., 2006.Ц С. 160 - 166.
23. Measurement of angle movement parameters by means of Ring Laser Goniometer / N. Goncharov, M. Agapov, E. Bohkman, M. Bournachev, Y. Filatov, D. Loukianov, P. Pavlov // Proceedings of Symp. Gyro Technology, Karlsruhe, 2007. - Karlsruhe, 2007. - PP.20.1-20.18.
24. Измерение параметров углового движения сканирующего зеркала / М.Ю. Агапов, Е.А. Бачиш, Е.Д. Бохман, П.А. Павлов // Изв. СПбГЭТУ ЛЭТИ.
Сер. Приборостроение и информационные технологии (Известия Государственного электротехнического университета) - 2007. - С. 52Ц59.
25. Грушвицкий, Р.И. Устройство регистрации сигналов унифицированного ряда лазерных динамических гониометров / Р.И. Грушвицкий, Д.В. Килочек, П.А. Павлов // Изв. СПбГЭТУ ЛЭТИ (Известия Государственного электротехнического университета) - 2008. - №1. - С. 64-70.
26. Павлов, П.А. Анализ погрешности углового интерференционного нульиндикатора / П.А. Павлов // Изв. СПбГЭТУ ЛЭТИ (Известия Государственного электротехнического университета) - №4.Ц 2008. - С. 64-70.
27. Пат. 2222777 Российская Федерация. Гониометр / Бурнашев М.Н., Гончаров Н.В., Лукьянов Д.П., Павлов П.А., Филатов Ю.В.
28. А.с. 1479825. Лазерный измеритель углового положения объекта / Филатов Ю.В., Павлов П.А., Юдин АМ.
29. А.с. 1551992. Датчик углового положения объекта / Лукьянов Д. П, Филатов Ю.В., Павлов П.А., Понырко А.С., Юдин А.М.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям