автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Разработка и исследование методов и средств создания растрово-кодовых сопряжений для опто-электронныхизмерительных преобразователей перемещений в машиностроении

кандидата технических наук
Сергеев, Алексей Георгиевич
город
Санкт-Петербург
год
1994
специальность ВАК РФ
05.11.07
Автореферат по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам на тему «Разработка и исследование методов и средств создания растрово-кодовых сопряжений для опто-электронныхизмерительных преобразователей перемещений в машиностроении»

Автореферат диссертации по теме "Разработка и исследование методов и средств создания растрово-кодовых сопряжений для опто-электронныхизмерительных преобразователей перемещений в машиностроении"

Государегиепный комитет РФ по высшему образованию'

Санкт-Петербургский государственный институт точной механики и оптики (Технический университет)

На правах рукописи Сергеев Алексей Георгиевич

Разработка и исследование методов и средств создания растрово-кодовых сопряжений для опто-электронных измерительных преобразователей перемещений в машиностроении

Специальность: 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1994

Работа выполнена в Институте проблем машиноведения Российское Академии наук

Научный руководитель

- доктор технических наук, доцент А.Е. ГОРОДЕЦКИЙ

Официальные оппоненты

-доктор технических наук, профессор С, М. ЛЛТЫЕВ -доктор технических наук, профессор В. Е. ПРИВАЛОВ

Ведущая организация - Санкт-Петербургский Государственный электротехнический университет

Зашита диссертации состоится 995 г, в !

на заседании специализированного Совета Д.053.26.01 Санкт-Петербургского института точной механики н оптики по адресу: 197101 Санкт-Петербург, ул. Саблинская, 14.

. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбИ'ГМО.

Авторе(|к,рат разослан "_

УченыП секретарь специализированного Совета Д053.26.01-

В.М. Красавцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Повышение производительности труда, повышение качества, ресурсо- и конкурентоспособности машиностроительной продукции в значительной степени зависит от уровня автоматизации научных исследовании, испытании, управления, измерения, контроля и диагностирования, что в свою очередь зависит от качественного и современного информационно-измерительного обеспечения отрасли.

Известны и продолжают разрабатываться оптоэлектронные аналого-цифровые преобразователи для контроля и измерения различных параметров (размеров, перемещений, скорости и др.). Такие преобразователи имеют высокую скорость преобразований, хорошую помехозащищенность за счет оптической развязки входа от выхода, широкие амплитудные и частотные диапазоны преобразуемых величин. В них используются, как правило, либо растровые сопряжения, либо оптические кодирующие устройства для прямого кодирования механического перемещения измерительного элемента. Однако развитие оптоэлектрониых аналого-цифровых преобразователен сдерживается низкой технологичностью их проектирования и изготовления, сложностью конструкции и электрической схемы, высокой стоимостью, что не позволяет в пол-Ю11 мере реализовать отмеченные преимущества. Указанные недостатки устраняются использованием в структуре оптоэлектрониых аналого-цифровых феобразователей растрово-кодовых сопряжений (РКС), т.е. оптических кодирующих устройств, непосредственно сопрягаемых с растровым модулятором. Гакпе аналого-цифровые преобразователи в работе названы растрово-кодовы-.ш преобразователями (РКП).

Работа выполнена с 1988 по 1994 г.г. в ИПМаш РАН.

Цель работы

Исследование и разработка методов и средств создания РКС для высоко--ехиологичных ОЭ АЦП, обеспечивающих высокочувствительные, сверхбыстрые преобразования аналоговых физических величин в цифровую форму для гаода их в вычислительные средства автоматизированных систем научных исследовании, испытаний, управления, измерения, контроля И диагностирования ; машиностроении.

)сновш>1е задачи исследования

1. Исследование и разработка методов применения РКС для аналого-цнф-ювого преобразования перемещения.

2. Разработка инженерных методик расчета РКС.

3. Структурная разработка семейства типовых схем и конструкций РКП на основе растрово-кодовых сопряжений.

4. Исследование особенностей оценки погрешностей предлагаемых сопряжений.

5. Разработка методов автоматизированного синтеза таких сопряжении и методик принятия решений в условиях неполной определенности.

Научная новизна

1. Исследованы и разработаны системные аспекты создания растрово-кодовых сопряжений и преобразователей на их основе, позволившие предложить основные направления их синтеза методом компоновочного проектирования и основные методы расчета и. оптимизации параметров.

2. Разработаны, принципы синтеза перспективных структур ОЭ АЦП перемещении на основе оптоицтегральных и оптоволоконных РКС.

3. Разработаны интеллектуальные программные средства поддержки исследований ц проектирования РКС, позволяющие осуществлять синтез оптимальных структур преобразователей и определять основные параметры их элементов в неполностью формализуемых ситуациях.

Практическая иенарсть результатов работы

1. Разработанная структура преобразователем перемещений на основе растрово- кодовых сопряжений позволяет создать новый класс преобразователей перемещений,

2. Произведенная классификация растрово-кодовых преобразователей по типам измеряемого перемещения, растрового сопряжения, оптического кодирующего устройства, по носителю информации и основной технологии изготовления дает возможность создания автоматизированных методик их синтеза.

3. Предложенные схемы растрово-кодовых преобразователей на основе современных технологий (оптоволоконные и олтоинтегральн^е), позволяют использовать современные принципы преобразования информации (предварительная обработка измерительной информации в оптическом виде в первичном преобразователе), а также прнменекнть данный класс преобразователен для бесконтактного дистанционного измерения р широком диапазон^ измерительны* задач в машиностроении • от измерений микроперемешеннн н вибраций до определения смещений значительных по размерам конструкций и их частей.

4. Проведенные исследования основных инструментальных погрешностей РКС могут служить основой для разработки методики расчета погрешностей и опенки максимальных ошибок кодирования.

5. Разработанные методики синтеза и интеллектуальные программные средства предоставляют возможность автоматизированного синтеза растрово-кодовых преобразователен в условиях неполной формализуемости в виде экспертной системы.

На зашит)' выносятся:

- структурные и системные варианты построения преобразователей на основе РКС; удовлетворяющих требованиям современного машиностроительного производства,

- методы расчета основных параметров РКС,

- методика создания интеллектуальных программных средств для автоматизированного синтеза сопряжений и преобразователей в неполностью формализуемых ситуациях,

- методы расчета метрологических характеристик преобразования и оценок максимальных ошибок кодирования.

Апробация работы

Основые результаты работы представлены на 5 международных и 10 национальных семинарах, конференциях и школах в период с 1988 по 1993 год.

Публикации

По материалам диссертационной работы опубликованы 23 научные работы, из них S статей в журналах, сборниках трудов и препрпнтах, 13 тезисов докладов, 1 авторское свидетельство на изобретение СССР и 1 патент РФ.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, пяти глав, заключенил, списка литературы и приложений. Объем основной части работы: 122 страницы текста и 28 страниц иллюстраций.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ обосновывается актуальность проблемы, сформулирована цель работы, приведены основные положения, выносимые па защиту.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ . рассматриваются существующие типы оптоэлсктронных преобразователей перемещении. Отмечается, ' что оптоэлектронные (ОЭ) АЦП перемещения имеют в настоящее время наибольшую точность среди существующих преобразователей, обладают наивысшей разрешающей способностью, отличаются высокой чувствительностью и быстродействием, простотой и надежностью конструкции, малыми габаритами и массой, отсутствием механической связи с контролируемым объектом, малой инерционностью, возможностью дистанционного измерения и контроля практически без измерительного усилия, .Они используются самостоятельно как первичные преобразователи линейных и угловых перемещении, так и в качестве составных узлов более сложных преобразователей - давления, уровня, расхода, температуры и т.д.

Принцип действия ОЭ АЦП перемещений состоит в преобразовании линейного или углового перемещения в изменение интенсивности световою потока, поступающего на приемник излучения (фотоприемник, или вход оптической линии передачи информации). Практически все существующие ОЭ АЦП перемещении можно разделить на три основные группы: 1) преобразователи с перекрытием светового потока; 2) растровые АЦП; 3) преобразователи с кодовыми масками. Первая группа включает в себя наиболее простые датчики, но одновременно и наименее чувствительные, поэтому подробно не рассматривается,

-Основным'узлом любого растрового АЦП является оптический модулятор, состоящий из сопряжения измерительного (радиального или линейного) и индикаторного (неподвижного) растров, При наложении одной растровой структуры . на другую наблюдается муаровый эффект, который при определенных соотношениях между элементами растров и параметрами их взаимного ориентирования носит упорядоченный характер, При этом для малых взаимных угловых или линейных перемещений растров имеет место значительно большее смещение муаровых (или комбинационных) полос. В этом заключается, основное преимущество растровых преобразователей, позволяющих обеспечить большой масштаб преобразования при измерении малых перемещений.

Подробно рассмотрены различные виды линейных и угловых сопряжений, принцип действия известных растровых ОЭ АЦП. Рассматриваются ОЭ АЦП, основанных на счете числа полос, проходящих через входную апертуру чувствительного элемента» АЦП с внугришаговой интерполяцией, т.е. с использованием методов определения положения муаровой полосы в долях

шага растра, а также фазовые растровые интерполяторы. Отмечается общий недостаток известных растровых ОЭ АЦП, заключающийся в сложности электрической части, низком быстродействии и невозможности непосредственного получения оптического кода на выходе.

Рассматриваются кодовые ОЭ АЦП (преобразователи считывания), отличительной особенностью которых является то, что выходным оптическим* . сигналом служит непосредственно код. В таких АЦП применяются кодовые рабочие меры, которые строятся на принципе соответствия каждому их дискретному угловому или линейному положению одной цифровой . кодовой комбинации.

Анализируются специфические достоинства и недостатки рассмотренных преобразователей. Формулируются задачи диссертационной работы, следующие из поставленной цели - исследование методов и средств разработки растрово-кодовых сопряжении для нового класса преобразователей, основанного на непосредственном оптическом сопряжении комбинационной картины наложения двух растров и оптического кодирующего устройства, что позволяет получить характеристики по разрешающей способности, аналогичные растровым преобразователям, и одновременно высокое быстродействие, как у кодовых АЦП. При этом оптическая часть таких преобразователей не будет существенно сложнее, чем у растровых, а- схемы электронной обработки - чем у кодовых.

Во ВТОРОЙ ГЛАВЕ рассмотрены структура, элементы и классификация преобразователей на основе РКС. Приведена блок-схема цифрового преобразователя перемещений, использующего в качестве оптического усилителя сопряжение комбинационной картины (являющейся результатом прохождения света через две соответствующим образом расположенные б пространстве растровые структуры), с оптическим кодирующим устройством.

Преобразователь содержит следующие блоки:

- Источник излучения, включающий, в общем случае, и оптическую систему для пространственного .формирования ' и передачи энергии от источника;

- Растровый модулятор, содержащий измерительный растр, соединяемый с объектом, перемещение х(1) которого измеряется, и неподвижный растр;

- Оптическое кодирующее устройство;

- Блок фотоприемников для выработки электрического кода), в общем случае включающий и устройства "нормализации" электрических сигналов;

- Блок управления для управления оптическим кодирующим устройством, которое может быть управляемым, для задания вида кода, установки "О" и т.п.

Приводится классификация растрово-кодовых преобразователей по типу измеряемого перемещении, по типу растрового сопряжения, по типу ОКУ, по

£

энергетическому "носителю" информации, цо основной технологии изготовления.

Подробно рассматриваются все основные типы растрово-кодовых сопряжений. Основные расчетные соотношения элементов муарового растрово-кодовога сопряжения следующие.

Разрядность М квант перемещения (разрешающая способность) £5 и диапазон измеряемого перемещения О связаны связаны следующим выражением:

В = 2Щ

Угол смещения щелей измерительного растра относительно щелей неподвижного щ ширина щелей с1 и квант перемещения С сЬязаны, как:'

О = (1(1 + ¡кону)

Периоды следования щелей измерительного и неподвижного растров Л„ н Лн соответственно связаны с углом ца

К =

при том, что /.„ ■> П.

Высота окна нулевого разряда кодовой маски угол у/ и квант ():

И о =

И, наконец, высота растров и маски определяется, как:

Нк =

при этом их ширина > N0.

Рассматривается также растррро-кодовый муаровый преобразователь угловых перемещении, в котором используется сопряжение спирального растра с радиально-иентральным растром, что позволяет получать линейную зависимость изменения диаметра муарового кольца от углового смещения измерительного растра. Определяются расчетные соотношения элементов сопряжения. Устанавливается, что для обеспечения постоянной площади засветки необходимо выполнение радиального растра с переменной (в зависимости от текущего радиуса) шириной шелей и предлагается во избежание изготовления такого растра с шириной щелей, подчиняющейся сложному параболическому закону, выполнять их со ступенчатым изменением ширины.

Приведена структурная схема преобразователя линейных перемещений с ионнуеным растрово-кодовым сопряжением. Комбинационная полоса здесь перемещается в том же направлении, что и измерительный растр, в то время, как в случае, муарового сопряжения эти перемещения перпендикулярны.

В нониусном преобразователе. угловых перемещений комбинационная полоса представляет собой световой радиус, перемещающийся пр окружности,' что обусловливает применение либо кольцевого, фотоприемника, либо соответствующей оптической системы.

Под комбинированным РКС понимается такое сопряжение, в , котором старшие разряды кода вырабатываются путем прямого кодирования положения измерительного элемента, а старшие - путем растрово-кодового преобразования, При этом квант перемещения прямого преобразования должен быть равен диапазону измеряемого перемещений растрово-кодового преобразования !)Р.

Предлагается защищенная авторским свидетельством схема выработки выходного кода, основанная на компарашш сигналов с парафазпых выходов каждого разряда. Это дает возможность избежать предварительного определения пороговой величины выходного аначоового сигнала, повысить надежность и помехоустойчивость работы преобразователя.

На начальном этапе проектирования цифрового преобразователя под конкретную затачу встает вопрос о выборе типа растрово-кодового сопряжения - будет ли это преобразователь муаровый, нониусный либо комбинированный. Определяются критерии такого выбора, включающие в себя диапазон преобразования, квант перемещения, необходимость управляемых оптических кодирующих устройств,'ограничений на габариты и д«зтупной технологии. Такой широкий набор критериев делает актуальной задачу создания программных средств для автоматизации задачи выбора • типа сопряжения. Для этого был разработан набор правил для экспертной системы, которая описывается в пятой главе.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ предлагаются схемы перспективных преобразователей на основе растрово-кодовых сопряжений. Отмечается, что реализация предлагаемых устройств на основе дискретных элементов объемной оптики, таких, как линзовые и зеркальные светофокуснруюшие и коллнмирующне системы, растры в внде стеклянных или Полимерных пластин (кругов) с прозрачными июлями и кодирующие устройства того же типа либо на зеркалах, имеет ряд недостатков. Таким образом, встает вопрос о возможности эффективной канализации потока излучения. Быстрое развитие в последнее время волоконно-оптических и ннтегралыю'оптнческих элементов информационно-измерительных систем делает возможным решение этой проблемы.

Приводится простейшая схема волоконно-оптического цифрового датчика линейных перемещений. Он состоит из волоконно-оптического ра;ветвнтеля, выходы которого образуют "линейку", н волоконно-оптического кодирующего

устройства, вход которого также сформирован в виде линейки световодов, В зазоре между ними вводится растровое сопряжение, муаровое или поннусное.

Рассмотрим более подробно устройство оптоволоконного растрово-ходового преобразователя угловых перемещений, защищенного патентом РФ.

Рис. 1. Опта-волоконный преобразователь угловых перемещений

На рнс. 1, приведена его структурная схема. Преобразователь содержит .осветительную систему (ца рис. 1. условно показан только световой поток), кодирующий диск с измерительным растром ], укрепленном на валу 2, жестко связанным с объектом, угловое перемещение которого измеряется, диафрагму с неподвижным растром 3 и оптическое кодирующее устройство 4.

Осветительная система- представляет собой излучатель с оптоволоконной системой подвода излучения к щелям неподвижного растра.

Кодирующий диск с измерительным растром представляет собой диск с нанесенными 'N/2 кодовыми дорожками, гае N - разрядность преобразователя, и рад1Гальным растром с шагом

В общем случае прозрачные элементы могут иметь форму круга, треугольника и т.п.

Диафрагма выполнена в виде неподвижного диска, в центральной части которого имеются прозрачные отверстия, каждое из которых расположено по радиусу напротив соответствующих дорожек кодирую шего диска, и к которым подсоединены выходные линии соответствующих разрядов На угловом

\

/

>

со, = 36Щ2М - /) и угловой шириной прозрачных элементов

т*Зб(Р/2™

расстоянии 360°/2" (п - номер разряда) от выхода прямого разряда по направлению возрастания кода на каждой дорожке расположен выход парафазного разряда 1)0..,1)2. Растр, дополнительно наносимый по внешней окружности диафрагмы, по конструкции аналогичен кодирующему диску, но шаг этого растра

со, '= 36(Р/2№

Оптическое кодирующее устройство имеет 2Л72 входов и ЛУ2 выходов. Расположение световодов, соответствует двоичному коду. Световоды объединяются скруткой, сплавлением Или иным счособом. Можно видоизменить конструкцию кодирующего устройства путем введения оптоволоконных разветвителен.

Преобразователь работает следующим образом. Получение кодов младших ЛУ2 разрядов при вращении вала происходит обычным способом прямого кодирования. При этом минимально различимый квант перемещения равен

у= 360°/2№

При угловых перемещениях, в диапазоне' О...ЗбО°/2Л/г происходит совпадение не более двух прозрачных элементов измерителиого и неподвижного растров. Свет поступает на две кодовые входные труппы ОКУ, С пыхода которого снимается пряМой и парафазный код старших N/2 разрядов. Таким образом, при любом положении вала, а следовательно, и измерительного растра, на выходе преобразователя имеется соответствующий N - разрядный прямой и обратный (снимаемый с парафазных выходов) код.

Обратный код используется для последующей выработки электрического кода. Начальная установка осуществляется смещением вала до получения на выходе нулевого кода.

Предлагается и ряд других вариантоз построения опто-волокошшх расгрово-кодовых преобразователей,

Конструкции оптоволоконных преобразователей требуют точного выполнения растровых структур, набранных из оптоволокна. Зачастую это весьма сложная задача. С развитием современной технологии растровые структуры могут быть созданы в интегрально-оптическом исполнении, что даст возможность создания технологичных н миниатюрных цифровых датчиков перемещений.

Показанный на рис. 2 оптоинтегральный цифровой датчик линейных микроиеремещешш содержит неподвижный модуль 1 и измерительный модуль жестко связанный с объектам, перемещения которого измеряется. В зазоре ■ с жду модулями 1 и 2 находится иммерсионная жидкость 3.

Источником излучения может служить лазерный диод, светодиод, непосредственно подсоединенные ко входу неподвижного модуля /, либо

¿„■¿«толоконная линия для дистанционного подвода световой энергии к датчику. Приемником излучения, подключенным к пзраллслышм.лифцоамм

прямому и инвертированному оптическим выходам датчика (показаны на рис.2 как ¡о--.¡2 и соответственно), может быть линейка фотопрнемннков либо оптоволоконная линия для дистанционной передачи кодовых групп выходных сигналов, как и в предыдущей конструкции.

Неподвижный модуль (на рис. 3 показан модуль трехразрядного датчика) представляет собой оптонитегратьную структуру, содержащую полноводный

разветвитель 1 н волноводнцй растр 2 на подложке 3. Коэффициент преломления трехмерных волноводов разветвителя и растра Л/, коэффициент преломления материала подложки -

Измерительный . модуль (рис. 4) также представляет собой оптоннтегральную структуру, содержащую кодирующий волноводный растр 1,

Рис. 4. Измерительный модуль

совмещенный технологически с подложкой с коэффициентом преломления п^ Коэффициент преломления нанесенного верхнего слоя 2. - п02.

Определяются соотношения размеров • на основе вышеизложенны!», методик. Коэффициенты преломления должны отвечать следующему соотношению

п2> п, >Щ2>П0! ...

Состояние кодовых групп на выходе зависит от смешения X измерительного модуля (рис. 4). Однако, в отличие от вышеописанных . конструкций, при этом состояние п-ного разряда определяется как "1", если 1п> /„, н "О" при обратной соотношении. В свою очередь, /„ является минимальным при максимальном наложений участка кодирующего растра измерительного модуля на волновод неподвижного растра (при этом максимальна утечка световой энергии из волновода неподвижного растра в волновод измерительного), а максимальным при отсутствии наложения.

Приводятся примеры расчетов основных параметров подобных датчиков и пример применения датчика в измерителе давления.

Рассматриваются схемы функциональных растрово-кодовых преобразователей, приводятся схема электронного блока управления, позволяющего осущетвлять ввод функциональной зависимости и автоматическую юстировку преобразователя.

Поскольку в практике машиностроения могут быть ситуации, в которых требуется бесконтактное и дистанционное измерение перемещений и деформаций, когда механически связать объект или часть объекта с датчиком невозможно, либо сложно (например, когда объект находится в герметичном объеме и т.п.), актуальна задача дистанционного измерения перемещений. Для этого предлагаются специальные конструкции растрово-кодовых преобразователей для измерения смешений по всем трем координатным осям,

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ анализируются основные инструментальные погрешности растрово-кодовых сопряжений. Базовым объектом описания и анализа метролопмеских характеристик растрово-кодовых преобразователей (РКП) является измерительная процедура, представляющая собой последовательность измерительных преобразований входного воздействия. Получено следующее обобщенное уравнение измерительного преобразования:

У*¡Ид) » «а/кус*^ • ехр(-Од - Ту - Т0КУУГм)а(1д • Ту Току)1ак гае: - результат, полученный в / • ом аналого-цифровом

преобразовании,

та - атси/2п коэффициент масштабирования, где

- максимальное значение входного вогзействия,

кус - передаточный коэффициент оптического усилители (коэффициент усиления перемещения), зависящий от типа применяемого сопряжения, км - передаточный коэффициент модулятора, 1д - время дискретизации (преобразования);

Ту - время запаздывания в оптическом усилителе (растровом сопряжении), равное отношению длины'пути света к скорости,

Току • время запаздывания в оптическом кодирующем устройстве, Тм - постоянная времени модулятора, a(t) - входная измеряемая величина, ЛК - DK/2" - интервал квантования, где

■ Пк - максимальное значение воздействия на входе ОКУ или верхняя граница динамического.диапазона.

Более глдробно рассматривается растрово-кодовое сопряжение, как часть системы . анапого-цифрового. преобразования, у которой входными и выходными 'сигналами являются непрерывные функции времени. Включение сопряжения в такую систему приводит к появлению пофсшностн, состоящей из двух различных по природе компонентов: погрешности квантования входной .величины по времени (динамической 'погрешности) и погрешности одного отсчета. Последняя в свою очередь. состоит из двух частей: погрешности цифрового представления Или округления, обусловленной наличием квантования по уровню и.■ связанного, с этим конечного числа разрешенных уровней, и инструментальной погрешности преобразователя.

Наибольший интерес представляет инструментальная (случайная) погреинюсть преобразователя, которая появляется из-за шумов и помех как во входном сигнале, так и в узлах А1Й1 и из-за технологических отклонений в узлах АЦП, возникающих при изготовлении и эксплуатации АЦП.

Рассматривается типовое линейное муаровое сопряжение с точки зрения влияния на выходной код погрешностей, обусловленных технологическими допусками на конструктивные размеры. :

Такие погрешности можно разделить на три основные группы:

- влияющие на наклон муаровой полосы,

- влияющие на положение полосы,

- влияющие на ширину полосы.

.Погрешности первой группы будут следствием технологических погрешностей перекоса растров друг относительно друга, или, -:то практически то же самое, погрешностей угла наклона измерительного растра у, а также погрешностями выполнения периодов обоих растров Ли н Ам.

Влияние наклона муаровой полосы на работу сопряжения можно оценить по смецакю положения полосы на младшем разряде кодирующею устройству где это влияние будет наиболее критичным, т.с могущим повлечь появление неверного кода на выходе. Получено выражение для величины

полного смещения положения полосы по младшему разряду, вызванное нофешностями, приводящими к наклону муаровой полосы:

5 = \'(ЛН</ ■ - ЛМу)

Так как величины у/, /.„' и /.„' (фактические значения ^ параметров) величины, погрешности которых носят, технологический характер и определяются погрешностями при изготовлении двух, разных растров (Ли' и Лм") и при сборке сопряжения {у/), то будем считать, что от» случайные величины распределены нормально и независимы друг от друга, То!яа можно определить дисперсию погрешности смешения положения полосы, учитывая закон распределения линейной функции п нормально распределенных величин

Оценивается максимально допуст!!мое значение величины 5, что важно для инженерных расчетов сопряжений.

Рассматривается класс погрешностей, вызываемых сдвигом полосы. Очевидно, что эта погрешность может быть скорректирована механической юстировкой или юстировкой по типу, описанному в плаве 3.

Проанашпированы погрешности, влияющие на ширину полосы. К ним относятся погрешности угла у/ и погрешности ширины щелей с/, определена степень нх влияния на результат измерения,

Подробно анализируются погрешности угловых муаровых сопряжений. Определена суммарная .максимальная погрешность дисперсия погрешности смещения муарового кольца.

Проанализированы инструментальные погрешности нониусных сопряжении. Установлено, что максимальное значение сдвига полосы по младшему разряду в результате.перекоса на угол ¿»составит

те N - число разрядов сопряжения, \'/0 - ширина окна ФП.

Дисперсия этой погрешности о^

Очевидно, что максимально допустимое значение величины этой погрешности не должно превышать половину значения ширины щелей растров:

№ = д/г*

Рассмотрено влияние па работу сопряжения изменения периодов ~астров п Лн и ширины шелей Л. Определено максимально допустимое отношение фактической и расчетной разностей периодов, которым можно задаваться при определении допуска значения разности периодов.

Рассмотрены две основные Группы - погрешностей углового пониусного сопряжения,' приводящих либо к смешению комбинационно!"! полосы (радиальной),:либо к, изменению ее угловой ширины.

Из проношенного диализа сделаны выводы, '¡то и для муарового, и для ноииусното типов сопряжений, как линейных, так и угловых, критичны.мп ■параметрами яддяются период следования щелей растров. Численные оценки показывают, 4to допуски на величины ■ периодов составляют единицы процентов от номинала для 6 - 8, разрядных преобразователей. Для линейных сопряжении критичны наклон (перекос). Оценки дают величину допусков на эти отклонения порядка единиц и долей единиц градусов. Для угловых .сопряжении несооспрсть не- должна превышать десятых И сотых долей миллиметра,. Причем для нониусного сопряжения максимальный допуск очень сильно зависит от'разрядности.. Ширина щелей менее критична по допускам -до 20 процентов от номинала.

•Таким образом выявлено, что изготовление растрово-кодовых сопряжений требует весьма высокой точности как собственно изготовления, так и сборки. Наиболее подходящими технологиями для соблюдения всех этих требований являются Оптоволоконная, н интеграчыю-онтнческая.

В ПЯТОЙ ГЛАВЕ рассмотрены .'• программные средства поддержки 'исследований, разработки н имитационного моделирования растрово-кодовых сопряжений. Описывается структура . разработанной автором экспертной системы "Опто-экспсрт", содержащей в виде интегрированной среды развитые счетные процедуры, средства работы с базами данных, средства накопления и применения получаемых в ходе теоретических работ знаний, а также графические средства. Программное обеспечение разработано в оболочке "ИНТЕР-ЭКСПЕРТ" (Guru).

Экспертная система включает в себя базы знаний, процедуры и банки данных. Базы-знаний в данной системе функционально делятся на два вида: базы знаний для консультаций в ситуации качественного выбора, и базы знаний для анализа количественных параметров н результатов расчетов для каждого, вида сопряжения. Механизм действия их одинаков, Но основой принятия решения в первом случае являются ответы пользователя на задаваемые системой вопросы, а во втором - анализ значений параметров, расчитанных предварительно соответствующей процедурой, н вывод рекомендаций по пересчету параметров.

Описываются включенные в систему процедуры (программы): вычислительные - расчета и пересчета параметров, имитационного моделирования, оценки точности работы сопряжения и управляющие -организация работы меню, архивации и документации-результатов п т.п.

В ЭС есть возможность оперировать реляционными данными, занесенными в таблицы (банки данных). В процессе работы с системой заполняются банки данных о параметрах спроектированных в рамках системы сопряжениях. Это происходит после каждого успешно завершенного сеанса расчета по запросу. Данные из БД извлекаются с помощью процедуры работы с БД, позволяющей выбрать ранее спроектированное сопряжение для дальнейшей с ним работы.

В системе предусмотрено несколько процедур исследовательского характера. Первая нз них - процедура имитационного моделирования работы сопряжения. Пользователем задается величина входного смещения измерительного растра. Системой рассчитывается площадь пересечения щелей измерительного и неподвижного растров каждого разряда, относительная площадь засветки 5 в процентах к максимальной и определяется условный логический выход разряда ("Г. при 5 > 50%, иначе - "0"). Рассчитанные значения выводятся на экран. После того, как произведен расчет по всем разрядам, определяется общий результат сеанса моделирования - выходной двоичный код, его десятичный эквивалент и выходное значение перемещения, равное произведению десятичного эквивалента кода на цену деления, Подсчптывается абсолютная и относительная ошибки преобразования.

Вторая подобная процедура, это - "Оценка точности работы сопряжения". Здесь выводится абсолютное значение максимальной погрешности квантования, при желании может быть получен график зависимости погрешности квантования от входного перемещения для данного сопряжения. Оценивается средняя квадратичная погрешность квантования и отображается максимально возможное значение случайной помехи на входе, при которой юказание младшего разряда еще можно считать достоверным.

Приведен примерный сеанс работы но расчету и моделированию с тротоколами работы всех компонентов системы,

Сравнение с данными натурного эксперимента, проведенного с помощью тростейшей установки, включающей в себя два растра и четырехразрядное щтическое кодирующее устройство, выполненных по результатам сомпыотерного расчета фотоспособом в масштабе 10:1, дало отклонение от шниых компьютерного имитационного моделирования в пределах шетрументадьной погрешности установки (1%).

В заключение главы рассмотрены перспективные программные средства »асширепного имитационного моделирования на языке высокого уровня, оздание которых обусловлено возникновением потребности в моделировании >аботы всего оптического тракта растрово-кодового преобразователя, ключаюшего в себя, помимо собственно сопряжения, ипучатель, ряд штическнх элементов (линзы, диафрагмы и т.д.), а также приемный блок фотоприсмкнки с электронной схемой, или устройство сопряжения с

IS

оптоволоконной линией). Оболочка "Интер-эксперт", как и другие готовые обточки, в силу присушим им ограничениям не позволяют разработать соответствующие программные средства.

В основу принятой концепции имитационного моделирования было положено рассмотрение состояния светового пучка от источника в различных точках оси прибора.

Программное обеспечение создается из отдельных модулей, каждый из которых ответственен за моделирование работы определенной части прибора, связываемой с определенным отрезком его оси. Таким образом, получая набор перечисленных параметров для точки X оси прибора, соответствующей началу расположения данной его части, каждый программный модуль формирует эти параметры для точки, соответствующей началу расположения следующей части,

Программное обеспечение создается на я?ыке программирования Borland С++ 3.1 дай' Windows,

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Показана принципиальная применимость разработанных методов растрово-кодоеого преобразования перемещений в информационно-Измерительных системах в машиностроении.

2. Выявлены оригинальные измерительные процедуры, реализуемые на одном : периоде сопряжения периодических структур, что позволило, Использовав их для ввода аналоговой величины в оптический тракт растрово-кодовых преобразователей, разработать технические решения Преобразователей с высокими чувствительностью и быстродействием и оптимальными массо-габаритными характеристиками,

3. Определена структура преобразователей перемещений на основе растрово-кодовых сопряжений, позволяющая создать новый класс преобразователей перемещений.

•4. Произведена классификация растрово-кодовых преобразователей по типам измеряемого перемещения, растрового сопряжения, оптического кодирующего устройства, по носителю информации и основной технологии изготовления, что облегчило создание автоматизированных методик их синтеза.

5. Предложены конструкции растрово-кодовых преобразователей на основе современных технологий (оптоволоконные и оптоннтегралыше), позволяющие использовать современные принципы преобразования информации (предварительная обработка измерительной ииформааяи а оптическом виде з первичном преобразователе), а также применить динный класс преобразователей для бесконтактного дистанционного измерения в

широком диапазоне измерительных задач п машиностроении - от измерений микроперемешеннй и вибраций до определения смещений значительных по размерам конструкций и их частей.

6. Исследованы основные инструментальные погрешности РКС, разработаны методики расчета погрешностей и оценки максимальных ошибок кодирования.

7. Разработаны методики синтеза и интеллектуальные программные средства для автоматизированного синтеза растрОЕО-кодовых преобразователей в условиях Неполной формализуемости в виде экспертной системы, содержащей а виде интегрированной среды развитые счетные процедуры, средства работы с базами данных, средства накопления и применения получаемых в ходе теоретических работ знаний, а также графические средства.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Сергеев А.Г., Городецкий А.Е. Интерференционно-кодовые преобразо вателн в автоматизированных системах// Автоматизация научных нселедова ний: Материалы 22-и Всесоюзной школы. - Горький; ИПФ АН СССР, 1989 с.с. 74...7S.

2. Сергеев А.Г. Определение междурастрового расстояния в растрово-ко довых оптоэлектронных АЦП перемещения с учетом дпфракции//Проблем1 механики и машиноведения: Тез. докл. III конференции молодых ученых ] специалистов. - Л.: ЛФИМАШ АН СССР, 1989, с. 23.

3. Сергеев А.Г., Городецкий А.Е. Проектирование и имитационное моде лирование растровых муаровых сопряжений п среде "ИНТЕР-ЭКС ПЕРТ'7/Методы оптической обработки информации: Сборник научных трудог - Л.: ФТИ АН СССР, 1990, с.227.

4. Сергеев А.Г., Еременко С.Й. Оптимизация коэффициента оптической усиления в растрово-кодовых преобразователях//Физнко-технологическпе про блемы материаловедения н машиностроения: Тезисы научных докладов н научно-технической конференции молодых ученых. - Л.: ЛФИМАШ AÍ СССР, 1990, с. 24,

5. Cepreeli А.Г., Городецкий A.B., Рошнна Н.А, Методы юстировки опте электронных аналого-цифровых преобразователей мпкроперемешеннн ц зазс ров// Метрология в прецизионном машиностроении: Тезисы докл. Всесокпног семинара. - Саратов, 1990, с. 46.

6. Sergeyev А.О., Gorodetsky А.Е., Roschina N.A. The methods of zero ad justment some lazer - optica! systems. // LAZER - 90: Abstracts. - Plovdiv, Bui garia, 1990, p. 136.

7. Sergeyev A.G. The fibre optical digital sensors of transferences// 12i IMEKO World Congress Measurement and Progress. Digest. Volume 11. - Beijinj China, 1991, p.p. 121-122.

S. Сергеев А.Г., Городецкий A.E., Рощина H.A. Методы повышени чувствительности голографичеекпх датчиков// Приоритетные направления научном приборостроении: Тез. докл. Первой международной конференци молодых ученых. - Л.: НТО АН СССР, 1990, с. 33.

9. Sergeyev A.G., Gorodetsky А.Е., Eremenko S.I. Self-learning expert sy¡ lern to support research and design of optronic A/D convertors/ZInternaiional Cor ference "Artificial Intelligens - Industrial Application". Abstr. of pap. - Leningra< LIIAN, 1990, p.p. 61...65.

10. Сергеев А.Г. Прикладная экспертная система поддержки нсследовани и разработки оптоэлектронных АЦП//Снстема ИНТЕР-ЭКСПЕРТ. Оп.чт t»pi

кладных разработок: Тезисы докладов. - Калинин: НПО ЦПС, 1990, с.с. 36...3S.

11. Сергеев А.Г., Городецким А.Е. Экспертная система поддержки проектирования, исследований и диагностики оптоэлек грешных АЦП//Дпагностнровапие, надежность, неразрушаюшнй контроль электронных устройств и систем: Тезисы докладов Всесоюзной школы-семинара. - Владивосток: ДВПИ, 1990, с. 70.

12. Сергеев А.Г., Городецкий А.Е., Еременко С.И. Самообучающаяся экс* пертная система для поддержки исследовании и проектирования оцтоэлект-ронных АЦШ/Аптоматпзация научных исследований (по материалам НТК

. "Перспективы развития информатики и автоматизации в Северо-Западном регионе"). - Л.: ЛИИАН, 1990, с.с. 15...20. .

13. Сергеев А.Г., Городецкий А.Е. Синтез структур оптоэлекгронных АЦП перемещений// "Метрологическое обеспечение и стандартизация": Тезисы докладов VIII Всеакадемнческой школы по проблемам метрологического обеспечения и стандартизации. - М.: ИВТ АН СССР, 1990 с.с. 258..263.

14. Сергеев А.Г., Городецкий А.Е., Рощина H.A. Интегрально-оптический АЦП//Н Всесоюзная конференция по оптической обработке информации; Тезисы докладов. - Фрунзе: "Илнм" 1990, с.с. 255...25б.

15. Сергеев А.Г., Городецкий А.Е. Применение голографическнх кодирующих устройств в интегрально-оптических АЦП//VI Всесоюзная конференция по голографии: Тезисы докладов. - Витебск, 1990, с. 73.

16. Sergeyev A.G., Yeremenko S.I., Kurbanov V.G., Gorodetsky А.Е. Expert systems supporting the design of the measuring modules and sections of automated research systems// Industrial Applications of Artificial Intelligence. Proc. of the ÍFIP TC5AVG5.3 International Conf./Elsevier Science Publishers B.V., Amsterdam, Netherlands, 1991, p.p. 262...266

17. A.c. 1715084 СССР, МКИ G 02 F 7/00. Оптический аналого-цифровой преобразователь перемещений интерференционных полос/Сергеев А.Г., Городецкий А.Е. (СССР). - N4741471/25: Заявлено 27.09.S9.

18. Сергеев А.Г., Городецкий А.Е., Компан М.Е, Электрооптическая линза с переменным фокусным расстоянием для оптоэлектронных дефлектор-ных АЦШ/Автометрия, 1992, N2, с.с, 55,..59.

19. Сергеев А. Г, Растрово-кодоаые преобразователи перемещении, Препринт 65. - СПб: ИПМаш РАН, 1992, - 50 с.

20. Сергеев А.Г. Основные инструментальные погрешности растрово-ко-довых сопряжений //Аппаратные и программные средства интеллектуальных автоматизированных систем в машиностроении. Вып. 1. Препринт 97. - СПб: ИПМаш РАН, 1993, с.с. 31 ...45.

21. Сергеев А.Г., Еременко С.И., Хмелннская Л.Е. Профаммные средства имитационного моделирования опто-злектрснных АЦП н его эле мен-

ТОв//Аштратные и программные средства интеллектуальных автоматизированных систем в машнностроенни. Вып. 1. Препринт 97. - СПб: ИПМаш РАН, 1993, с.с. G2...6G.

22. Gorodetsky А.Е., Kompan М,Е., Sergeyev A.G. Variable focus electro-optical lens for analog-to-digital optical convertmg//Noncouventional Optical Imaging Etements, Proc. SPffi 2169/SPIE, Bellingham, USA, 1994, p.p. 192...194.

23, Решение о выдаче патента РФ от 12.11.93 по заявке N 4908.792/25 "Растроао-кодовый преобразователь угловых перемещений", авторы: Сергеев А.Г., Городецкий А.Е., Лосев В.М.

Подписано X печати 14,12,64 г.

Объем 1,2 п.л. Бесплатно

Заказ 180

Тираж 100 экз.

Ротапринт. ИТМО. 100000, Саикт-Потербург, ивр, Гришюва, 14