автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Исследование и разработка оптико-электронных автоколлиматоров с увеличенной чувствительностью измерения угла скручивания

На правах рукописи р

ТУРГАЛИЕВА Татьяна Валерьевна

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ АВТОКОЛЛИМАТОРОВ С УВЕЛИЧЕННОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА СКРУЧИВАНИЯ

Специальность 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и

комплексы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

-и i

005549950

Санкт-Петербург - 2014

005549950

Работа выполнена в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Коняхин Игорь Алексеевич

Официальные оппоненты: Шилин Александр Николаевич

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Волгоградский

государственный технический университет», заведующий кафедрой «Электротехника»

Старченко Алексей Николаевич

кандидат технических наук ОАО «Научно-исследовательский институт оптико-электронного приборостроения», начальник отдела

Ведущая организация ОАО «ЛОМО»

Защита диссертации состоится « 01 » июля 2014 г. в Н ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.227.01 «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы» при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 190000, г. Санкт-Петербург, пер. Гривцова, д. 14, ауд. 314-а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Сашст-Петербург, Кронверкский пр., д.49 и на сайте fppo.ifmo.ru .

Автореферат разослан » игДА-' 2014 г.

Отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим направлять в адрес университета: 197101, г. Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49, секретарю диссертационного совета Д 212.227.01.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.227.01 кандидат технических наук, доцент

В.М. Красавцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Измерение углового положения объектов в пространстве является одной из насущных задач метрологического обеспечения науки и производства. В общем случае требуется измерение углов поворота относительно трёх взаимно-перпендикулярных осей, одна из которых совпадает с линией визирования объекта (ось скручивания), а две другие ей перпендикулярны (коллимационные оси). Углы поворота относительно указанных осей, соответственно, являются углом скручивания и коллимационными углами.

При решении многих практических задач наиболее важным для определения углового положения объекта является поворот объекта на угол скручивания.

В качестве примера могут быть указаны следующие задачи:

1. Измерения скручивания нагруженных магистральных нефте- и газопроводов, теплотрасс в местах подвески и надземных переходов с целью обеспечения безаварийной работы, мониторинг состояния ферменных конструкций при ветровой закрутке относительно основания.

2. Измерение углов скручивания валов и пилонов крупногабаритных научных установок с целью контроля точности их сопряжения и взаимного расположения при функционировании, например, угломестных осей и азимутальных колонн модернизируемых и строящихся крупногабаритных антенных установок радиотелескопов: ТНА-200 (диаметр 25 м, Щёлково), ТНА-1500 (диаметр 64 м, Медвежьи Озёра), П-2500 (диаметр 70 м Евпатория).

3. Определение взаимного разворота относительно линии сближения стыкуемых космических объектов, монтируемых относительно общей оси агрегатов и генераторов, частей выдвигающихся телескопических опор.

4. Метрологическое обеспечение испытаний макетов конструкций или образцов на деформацию кручения.

При метрологическом обеспечении рассмотренных задач требуются высокоточные измерения с погрешностью не более единиц угловых секунд (-10 3 рад) на дистанциях до контролируемого объекта от десятков сантиметров до десятков метров. Также при практической реализации необходима простая структура и малые габариты измерительного средства.

Для определения углового положения объекта эффективны оптико-электронные углоизмерительные автоколлиматоры, включающие собственно автоколлимационный блок с каналами формирования и приёма пучка оптического излучения и устанавливаемый на объекте отражающий контрольный элемент (КЭ), чувствительный к повороту на угол скручивания. Преимуществом автоколлиматоров является отсутствие на контролируемом объекте активных опто-электронных компонентов, требующих электропитания и эксплуатационного обслуживания.

Однако в настоящее время разработаны и выпускаются одно- и двух-координатные автоколлиматоры, измеряющие только коллимационные углы. Известны экспериментальные образцы трехкоординатных автоколлиматоров с

измерением угла скручивания, а также макеты угломеров в виде композиции раздельных блоков: двухкоординатного автоколлиматора и приёмного блока измерения угла скручивания.

Указанные углоизмерительные средства не соответствуют требованиям указанных практических задач. В частности, макеты в виде композиции раздельных блоков имеют сложную структуру и неприемлемо большие габариты.

В известных автоколлиматорах измерение скручивания выполняется по отдельному отражённому от КЭ пучку, который изначально составляет угол Д с оптической осью объектива автоколлиматора. При повороте на угол скручивания этот пучок отклоняется от первоначального направления на некоторый угол, величина которого пропорциональна углу поворота. Коэффициент пропорциональности К, определяющий чувствительность измерения угла скручивания, численно равен А. Поскольку величина Д ограничена угловым полем приёмного канала автоколлиматора, не превышающим десятков угловых минут (до 0,015 рад), чувствительность измерения скручивания в сотни раз меньше чувствительности измерения коллимационных углов (К = 2) с использованием пучка, отражённого от плоского зеркала (в 133 раза в рассматриваемом численном примере).

Реализация малогабаритных автоколлиматоров с увеличенной по сравнению с известными реализациями чувствительностью измерения угла скручивания затруднена отсутствием принципов построения, практических схем и методик расчета, соответствующих КЭ в виде отражающих зеркально-призменных систем, малой изученностью схем автоколлимационных измерений с их использованием.

Указанные обстоятельства определяют актуальность исследования оптико-электронных автоколлиматоров с увеличенной чувствительностью измерения угла скручивания.

Целью диссертационного исследования является теоретическое и экспериментальное исследование оптико-электронных автоколлимационных систем измерения угла скручивания (в том числе образующих с другими измерительными каналами трехкоординатный автоколлиматор) с увеличенной чувствительностью, а также разработка принципов построения отражающих контрольных элементов таких систем, методов расчета параметров и характеристик их компонентов.

Для достижения указанной цели необходимо решить ряд задач:

- проанализировать принципы построения, структуру и основные параметры известных оптико-электронных систем измерения угла скручивания;

- исследовать действие основных классов отражающих систем, использование которых в качестве КЭ автоколлиматора позволяет измерить углы скручивания;

- проанализировать варианты построения КЭ в виде композиции базовых отражателей, позволяющих увеличить чувствительность измерения угла скручивания;

- исследовать алгоритмы измерения автоколлимационных систем с

реверсивным ходом пучка, позволяющим уменьшить габариты и упростить структуру измерительной системы;

- разработать принципы построения и реализовать компьютерные модели функционирования измерительной цепи: контрольный элемент -анализатор и исследовать влияние составляющих погрешности измерения;

- разработать методики расчета параметров базовых отражателей для построения КЭ измерения скручивания с увеличенной чувствительностью;

- используя полученные соотношения, разработать экспериментальный образец трёхкоординатного автоколлиматора с увеличенной чувствительностью измерения угла скручивания и выполнить его экспериментальные исследования.

Методы исследования. Для анализа действия зеркально-призменных систем и КЭ на их основе используются соотношения геометрической оптики, векторно-матричные методы расчёта, теория инвариантных осей зеркально-призменных систем.

В экспериментальной области при исследовании соотношений между параметрами КЭ, анализе алгоритмов и погрешностей измерения используются детерминированные и имитационные компьютерные модели функциональных элементов автоколлимационной системы. Для практической проверки полученных соотношений выполняются исследования разработанного трёхкоординатного автоколлиматора с увеличенной чувствительностью измерения угла скручивания на специализированной экспериментальной установке.

Новые научные результаты и основные положения, выносимые на защиту

1. Условие устранения методической погрешности измерения угла скручивания вследствие влияния одного из коллимационных углов, определяющее требуемое взаимное расположение инвариантной оси отражателя и коллимационных осей измерительной системы.

2. Принцип построения базового отражателя, определяющий необходимое сочетание свойств инвариантной оси и граничных условий формирования отражённого пучка, в соответствии с которым отражатель для автоколлимационного измерения угла скручивания должен относиться к первому типу (параметры: прямая или обратная инвариантная ось, неполная ретрорефлекция, осевое падение пучка) или второму типу (параметры: прямая инвариантная ось, полная ретрорефлекция, внеосевое падение пучка на отражатель).

3. Структура композиционного КЭ, реализующая увеличение чувствительности измерения утла скручивания в составе триады последовательно расположенных отражателей: базовый - дополнительный -базовый, один из которых (дополнительный) размещён на неподвижном объекте, два других (базовые) - на поворачиваемом.

4. Критерий выбора базового и дополнительного отражателей триады композиционного КЭ, определяющий требования к виду и взаимной ориентации их инвариантных осей, в соответствии с которым инвариантные оси должны быть параллельными и согласованными в случае одинаковой последовательности отражения пучка от граней базовых отражателей

(однородная структура) и рассогласованными в обратном случае (неоднородная структура).

5. Принцип построения имитационных моделей функционирования автоколлимационной измерительной цепи «композиционный контрольный элемент - матричный анализатор», позволяющей исследовать влияние групп разнородных первичных составляющих погрешности измерения на этапе проектирования системы.

6. Результаты экспериментальных исследований трёхкоординатного автоколлиматора с увеличенной чувствительностью измерения угла скручивания.

Практическая значимость результатов работы состоит в том, что:

1. Найдены проектные соотношения между параметрами базового отражателя для измерения скручивания в виде зеркального триэдра и стеклянного тетраэдра, при которых обеспечивается ориентация его инвариантной оси, требуемая для уменьшения погрешности измерения вследствие влияния коллимационных углов.

2. Сформирована структура малогабаритных автоколлимационных схем измерения скручивания с увеличенной чувствительностью и реверсивным ходом пучка, получены алгоритмы измерения для практических вариантов схемы композиционного КЭ в составе тетраэдрического отражателя в сочетании с плоским зеркалом или с зеркальным триэдром, образованным прямоугольным двугранным зеркалом и одиночным зеркалом.

3. Найдена структура автоколлиматора на основе однородного КЭ при которой устраняется методическая погрешность измерения вследствие взаимного влияния угла скручивания и коллимационных углов.

4. Синтезирована компьютерная модель функционирования автоколлимационной системы, позволившая определить сильно влияющие группы первичных погрешностей измерительной цепи контрольный элемент -анализатор.

5. Предложен оригинальный метод различения анализируемых изображений в приёмном канале автоколлиматора, основанный на анаморфозном трансформировании пучка, формирующего изображение для измерения угла скручивания.

6. Разработан и реализован экспериментальный образец трёхкоординатного автоколлиматора реверсивной структуры на основе контрольного элемента с увеличенной чувствительностью измерения скручивания и выполнены его экспериментальные исследования.

Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы в Научно-образовательном центре оптико-электронного приборостроения НИУ ИТМО: включены в 6 отчётов по НИР (подтверждено 2 актами использования) и применяются в учебном процессе (подтверждено актом внедрения); получен 1 патент РФ на изобретение.

Исследования в рамках диссертационной работы поддержаны грантами: федеральным - мероприятие 1.3.2 «Проведение научных исследований целевыми аспирантами» 2012 г., Правительства г. Санкт-Петербурга 2010, 2012, 2013 гг.

Результаты предварительных исследований по углоизмерительной тематике были отмечены дипломом за П место среди магистерских диссертаций на Всероссийском конкурсе 2011 г.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 15 конференциях, 5 из которых международные: 8th International Symposium on Precision Engineering Measurements and Instrumentation (г. Ченду, КНР, 2012), SPIE Photonics Europe 2012, (г. Брюссель, Бельгия, 2012), SPŒ Optical Metrology (г. Мюнхен, Германия, 2013), «Прикладная оптика» IX, X (СПб, Россия, 2010, 2012); 5 - Всероссийские: VI, VII, VIII конференции и I, П конгрессы молодых ученых (СПб, 2009 -2013 г.г.); 5 - проводимые НИУ ИТМО: XXXIX, XL, XLI, XLII, XLIII (2010 -2013 г.г.).

Публикации. Материалы диссертации изложены в 27 научных трудах: 21 печатная работа, из них 9 статей в изданиях из перечня ВАК, в том числе 3 в изданиях, включенных в систему цитирования Scopus, 11 - в материалах конференций и сборниках, 1 патент РФ на изобретение и 6 рукописных отчетов по НИР.

Личный вклад автора. Все результаты диссертационного исследования получены лично автором или при его непосредственном участии.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 87 наименований и приложения, содержит 158 страниц основного текста, 61 рисунок, 4 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы, сформулированы ее цели и задачи, научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертационной работы представлен аналитический обзор существующих средств и схем контроля угла скручивания, их классификация в зависимости от физического явления, лежащего в основе действия системы, и проанализированы недостатки рассмотренных систем.

В ходе обзора рассмотрены оптико-электронные интерференционные, поляризационные, дифракционные и лучевые (основаны на принципе прямолинейного распространения оптического излучения и подчиняются законам геометрической оптики) углоизмерительные системы. Существующие оптико-электронные системы (ОЭС) геометрического типа контроля углового пространственного положения объектов представлены коллимационными, автоколлимационными системами и системами измерения угла скручивания на основе явления анаморфозы.

Выявлено, что для определения углового пространственного положения объекта эффективны автоколлимационные ОЭС, построенные по схеме с едиными автоколлиматором и КЭ на основе зеркального триэдра или стеклянного тетраэдра, вследствие наиболее простой схемы реализации независимых измерений трех углов поворота контролируемого объекта.

На основании результатов проведенного обзора поставлены цели и задачи

исследования.

Во второй главе исследованы общие закономерности измерения угла скручивания автоколлимационным методом при использовании КЭ в виде зеркально-призменной отражающей системы (ЗПС).

Доказано, что для измерения угла скручивания ©з без влияния поворота на коллимационный угол ©i или 02, относительно коллимационной оси ОХ (или OY), вектор U инвариантной оси ЗПС должен быть коллинеарен этой коллимационной оси: UII ОХ или Ull ОК-рисунок 1.

Для возвращения отражённого пучка к автоколлиматору угол (0 между ортами падающего А и отражённого В пучков при отражении должен быть равен 180° (ретрорефлекция W = 180°) или отличаться на малую величину А от 180° (псевдо-ретрорефлекция ей = 180° ± А) - рисунок 1.

В случае прямой инвариантной оси ЗПС составляющие орта отражённого пучка по осям OX, OY определяются выражениями:

Вх = cos(tf) • sin(A) • cos(03) + sin(ti) • cos(03) ■ (l - cos(A)) • c© - sin(fl) • cos^)), (1) By = cos(fl) • sin(A) • sin(03) + sin(tf) • (cos(03) • (1 - cos(A)) • i© - cos(A) • sin(P,)). (2)

Для обратной инвариантной оси выражения имеют вид: Вх = cos (г5) • sin(A) • cos(03) - sin(tf) ■ cos(03) • (l + cos(A)) ■ c© + sin(tf) • сояСД)), (3)

By = cos{6) ■ sin(A) • cos(03) - sin(i?) • (cos(03) ■ (1 + cos(A)) ■ c©+sin(/?,)). (4)

где p1; d—углы, определяющие положение орта А падающего пучка относительно оси скручивания OZ; с0 = cos(©3 - Pi), sQ = sin(©3 - Pj).

Угол ^ отклонения орта В отражённого пучка вследствие поворота КЭ на угол скручивания 03 определяется выражением:

4 - рх2+Ву2 ■ [arctgiBjB^-arctgiB^/B'y)),

где составляющие В°х, В°у определяются выражениями (1) - (4) при 03 = 0.

(5)

Ось скручивания

Автоколлиматор Рисунок 1 - Параметры ортов пучков

Для ЗПС с обратной и прямой инвариантной осью выражение (5) имеет вид:

£ = А-©з -собО^-собС/?,), (6)

£ = Д • 03 • соэСг?) • соз(Д) - 2 ■ 5т(г?) • 03 (7)

Из выражения (6) следует, что для ЗПС с обратной инвариантной осью (система класса В) наибольшая чувствительность к углу скручивания (К = А) реализуется при условиях Р1 = 0, = 0, определяющих коллинеарность орта А падающего пучка оси скручивания 02

(рисунок 1). Для ЗПС с прямой инвариантной осью (система класса Б) наряду указанным имеется и второй вариант условий (см. выражение (7)): Ф Ф О, Д = О, определяющий полную ретрорефлекцию при внеосевом ходе падающего пучка, при этом чувствительность К = 2-sin(i3).

Найденные группы условий определяют соответственно, отражатели первого и второго типа.

Из выражений (6), (7) следует, что чувствительность измерения угла скручивания имеет малую величину, численно не превосходящую углового поля приёмного канала автоколлиматора. Доказано, что для увеличения чувствительности структура КЭ должена состоять из триады последовательно расположенных отражателей: базового первого или второго типа -дополнительного - базового (рисунок 2), при этом дополнительный отражатель фиксирован относительно приёмного и излучающего каналов коллиматорной системы.

Угол ^ отклонения орта В для такого композиционного КЭ с базовыми отражателями первого и второго типов, определяется, соответственно, выражениями:

£ = 2 • Д • ©з, (8)

4 = -4 • sin(tf) • ©з. (9)

При этом основная (или плоскость минорных) инвариантная ось дополнительного отражателя и базовых отражателей должны быть параллельны и согласованы в случае одинаковой последовательности отражения пучка от граней базовых отражателей (однородная структура КЭ) или рассогласованными в обратном случае (неоднородная структура КЭ).

Из выражений (8), (9) следует относительное двукратное увеличение чувствительности измерения угла скручивания, при этом величина Д не ограничена угловым полем приёмного канала.

В третьей главе исследовались практические схемы автоколлиматоров с увеличенной чувствительностью измерения поворота на угол скручивания.

Возможна реализация базового отражателя на основе ЗПС классов Б и В. Системы класса Б (двугранное зеркало, призма БР-1800) дуальны, что определяет значительное отклонение пучка при повороте относительно оси, перпендикулярной их инвариантной оси и, следовательно, увеличение апертуры объектива автоколлиматора. Системы класса В (зеркальный триэдр, тетраэдрический отражатель) единообразны, при их повороте отражённый пучок отклоняется на малый угол, что позволяет реализовать малогабаритную автоколлимационную систему.

В тетраэдрическом отражателе (ТО) отражающие грани 1, 2, 3 образуют

Базовые

Рисунок 2 - Коллиматорная система с увеличенной чувствительностью к скручиванию

двугранные углы Zl,2 = 90°, Z2,3 = 90° - &2, Z3,1 = 90° - 83 (62, 53 - малые углы), нормаль к преломляющей грани 4 симметрична относительно рёбер ТО (рисунок 3). При осевом падении пучка на ТО, орты Вп и В21 отражённых пучков составляют с оптической осью объектива угол А.

Найдено, что вектор и инвариантной оси ТО коллинеарен коллимационной оси ОХ при:

1 (Ю)

51П(«73 ) =-----,-

2 у1 + зн](<У2)2

Рисунок 3 - Параметры тетраэдрического отражателя

Для углов до 1,5° с погрешностью не более 0,01% выражение (10) эквивалентно: 52= 53= 5.

Использование ТО как базового отражателя позволяет реализовать КЭ с увеличенной чувствительностью измерения угла скручивания по реверсивной схеме, полученной трансформацией коллиматорной структуры системы в автоколлимационную.

При неоднородной структуре КЭ пучок автоколлиматора 1 после отражения от базового 2 и дополнительного отражателя - плоского зеркала 3 направляется вновь на отражатель 2 (фактически является вторым базовым) и после повторного отражения регистрируется автоколлиматором (рисунок 4а).

а б

Рисунок 4 - Автоколлимационная система с неоднородным КЭ

Пучок с ортом В' формирует в плоскости анализа автоколлиматора изображение 5 (рисунок 46). Также в центре углового поля формируется изображение 4 (рисунок 46), сформированное пучком с ортом А' (рисунок 3), отражённым от входной грани ТО как от автоколлимационного зеркала. При наличии поворотов ТО изображение 5 смещается по оси ОХ, изображение 4 - по двум осям (положение 4', 5'). Составляющая орта В' определяется выражением (/"* - фокусное расстояние объектива автоколлиматора):

/_ЙЛ.

В'х = 2А03 - А2©2 = агс18 (*//').

(П)

Рисунок 5 - Инвариантная система с неоднородным КЭ

уз " 2

По алгоритму (11) после измерения смещения х изображения 5' (рисунок 46) необходимо вводить поправку на величину угла ©2, измеренного по смещениям изображения 4' для составляющей орта А':

Л:=2&2=агс18(х'/Г), (12)

А'у=-2®,=агс1§(у'/Г). (13)

Независимое измерение угла скручивания при одновремешюм увеличении

чувствительности измерения этой угловой координаты возможно для системы с неоднородным КЭ при симметричном относительно оси скручивания расположении ортов падающего и отраженного ТО 2 пучков с дополнительным переотражением на дополнительном отражателе 3 - рисунок 5. Для такой схемы в выражении (11) отсутствует второе слагаемое.

Пучок по коллимационным углам после отражения от передней грани ТО 2 и дополнительного отражателя 3 направляется вновь на переднюю грань ТО 2 (рисунок 5). В результате составляющие орта А' определяются выражениями (12) и (13) с коэффициентом 4.

При реализации КЭ однородной структуры пучок автоколлиматора 1 после отражения от базового 2 и дополнительного отражателя в виде тройного зеркала, составленного плоским зеркалом 3 и прямоугольным двугранным зеркалом 4 направляется вновь на отражатель 2 - рисунок б. В этом случае в выражении (11) также отсутствует второе слагаемое и реализуется независимое измерение угла скручивания.

В четвертой главе разработаны принципы построения и реализована компьютерная имитационная модель функционирования измерительной цепи контрольный элемент - анализатор, на основе модели исследовано влияния первичных погрешностей на составляющие суммарной погрешности измерительной системы.

Рисунок6-КЭ Для исследуемой цепи контрольный элемент -

с однородной структурой анализах0р выделены следующие основные первичные погрешности: погрешность фокусного расстояния объектива Апогрешность отступления двугранных углов между отражающими гранями ТО от номинального значения А^; отклонения показателя преломления стекла ТО от номинального значения А„; отклонения угла наклона дополнительного отражателя от требуемого значения А^; погрешность, вызванная неточным

измерением координаты изображения марки на чувствительной площадке анализатора Ах. Отдельно выделена погрешность измерения вследствие приближений, принятых при разработке уравнений (11), (12) и (13), определяющих алгоритм измерения угла скручивания и коллимационных углов.

Необходимость компьютерного моделирования определяется сложностью аналитического описания соотношений определения частичных погрешностей при совместном влиянии первичных погрешностей, описание которых возможно только в численном виде.

Разработанная имитационная компьютерная модель измерения включает определение координат изображений марки автоколлиматора в неподвижной системе координат ХУ2 матричного анализатора и выполнение их пересчета в величины угловых поворотов с учетом параметров матричного анализатора, ТО и объектива автоколлиматора, а также генераторы случайных процессов, имитирующих влияние первичных погрешностей с заданными параметрами (таблица 1).

При нулевых первичных погрешностях определяются методические погрешности вследствие приближений, принятых при описании алгоритмов (11), (12) и (13). При отличных от нуля значениях первичных погрешностей формируется случайная выборка, по которой ведется расчет координат изображений марки, далее выполняется их пересчет в величины угловых поворотов и определение составляющих суммарной погрешности измерения. Формирование выборок ведется для выбранных из диапазона первичных погрешностей.

Таблица 1 - Параметры моделируемых выборок

Параметр Значение параметра Обозначение погрешности Диапазон значений погрешности

фокусное расстояние/' 260 мм д г ±2%

отклонения углов ТО 8 1°20'20" Ав ±10"

показатель преломления п 1,507792 Д* ±2 • 10~3

угол наклона дополнительного ,! отражателя Д 0,1 рад. Ал. ±2"

координата изображения х, х\ у' моделируемые х, х\ у' д, +1 пиксел

Значительное влияние на суммарную погрешность измерения системы оказывает методическая погрешность, обусловленная взаимным влиянием коллимационных углов на угол скручивания в соответствие с выражением (11). Решение системы уравнений с учетом поправки на взаимное влияние угла 02 уменьшает данную составляющую погрешности. Исследование показывает, что при выполнении моделирования с диапазоном измерений до 2,5° максимальное значение относительной методической погрешности измерения составляет 14 % (рисунок 7а) при измерении угла скручивания и 0,3 % при измерении коллимационных углов для малогабаритной реверсивной автоколлимационной схемы с увеличенной чувствительностью измерения угла скручивания.

При моделировании независимого измерения угла скручивания

наблюдается значительное уменьшение относительной методической погрешности, которая при диапазоне измерения угла скручивания до 2,5° не превышает 0,5 % (рисунок 76). Значение методической составляющей погрешности измерения для коллимационных углов не превышает 2 %.

Рисунок 7 - Относительная методическая погрешность измерения по алгоритмам с увеличенной чувствительностью (а) и инвариантного (б) измерения угла скручивания

Другой существенной влияющей на суммарную погрешность системы является погрешность отступления 5ь 82, 5з двугранных углов между отражающими гранями ТО от номинального значения. Несоответствие величин отклонений двугранных углов приводит к отклонению элементов матрицы действия ТО от расчетной и, следовательно, нарушению алгоритма (11) измерения угла скручивания. По этой причине для выполнения высокоточных измерений допуск на величину изготовление углов между отражающими гранями ТО не должен превышать 1".

Остальные рассмотрешше первичные погрешности оказывают либо несущественное влияние на составляющие суммарной погрешности для коллимационных углов и угла скручивания, либо для конкретного образца автоколлиматора являются систематическими и могут быть скомпенсированы при предварительной калибровке системы.

В пятой главе проведены исследования экспериментального образца оптико-электронного трехкоординатного автоколлиматора.

Реализована схема с неоднородным КЭ (рисунок 8), центр дополнительного отражателя — зеркала 3 смещён относительно оптической оси объектива автоколлиматора 1 на Н = 100 мм, дистанция до базового ТО 2 равна .£, = 1000 мм (см. рисунок 4а).

Базовый ТО выполнен из стекла марки К8 (п = 1,507792 при X = 950 нм), величины углов 82 = 83 = 5 = 0,0235 1 8 рад (1°20'20"), что соответствует величине угла А = 0,1 рад. Чувствительность по углу скручивания в соответствии с выражением (8) задается как К = 2А = 0,2; для коллимационных углов -К = 2.

В автоколлиматоре использован объектив с фокусным расстоянием 260 мм, в качестве анализатора - КМОП-матрица УЕА/У1А-535 (ООО «ЭВС») с

размером пикселя рх = ру = 5,55 мкм, источник излучения - инфракрасный полупроводниковый излучающий диод Ь-34РЗС (Кп^Ь^Ы) с мощностью излучения 80 мВт.

Рисунок 8 - Экспериментальный стенд: 1 - трёхкоординатный автоколлиматор, 2 - базовый тетраэдрический отражатель (ТО), 3 - дополнительный отражатель - плоское зеркало, 4 - двухкоординатный автоколлиматор Тпорйсв с автоколлимационным зеркалом, 5 - визуальный автоколлиматор АКТ-15 с автоколлимационным зеркалом

Измерение скручивания осуществляется по изображению, сформированному пучком автоколлиматора, отражённым последовательно ТО 2 - зеркало 3 - ТО 2. Для измерения коллимационных углов используется изображение, сформированное пучком, отраженным от передней грани ТО 2. ТО 2 установлен на поворотном столике, позволяющем задавать повороты относительно коллимационных осей ОХ, ОУ на углы ©ь ©2 и оси скручивания 02 на угол 03. Контроль задаваемых коллимационных углов ©1, ©2 в диапазоне до 10' с погрешностью 1,3" и угла скручивания ©3 в диапазоне до 50' с погрешностью 15" осуществлялся автоколлиматорами 4 и 5 с соответствующими автоколлимационными зеркалами. Обработка видеокадров с матричного анализатора и вычисление измеряемых углов выполнялась программно-аппаратным вычислительным комплексом на базе персонального компьютера.

Для селекции изображений в плоскости анализа предложено использовать различие в размере изображений 4, 5 (рисунок 46), поскольку вследствие анаморфирующего действия базового ТО диаметр изображения 5, определяющего угол скручивания на 20 пикселей больше размера изображения 4, сформированного пучком, отражённым от фронтальной грани ТО.

В процессе экспериментов исследовалась статическая характеристика автоколлиматора по углу скручивания и коллимационным углам, определялась чувствительность по углу скручивания, средние квадратические значения (СКЗ) погрешностей измерения - см. таблицу 2 и рисунок 9.

Таблица 2 - Результаты исследования погрешности измерения системы

Параметр, единицы измерения Значение

по углу 02 по углу 03

Диапазон измерений 10' 50'

Теоретическая суммарная погрешность ат измеренного угла 1,5" 15,2"

СКЗ погрешности аим измеренного угла при моделировании 0,4" 12"

Экспериментальное СКЗ погрешности о измеренного угла 1,4" 20"

1 03, утл. МИН I 02, угл. МИН

и Задаваемый угол скручивания и Задаваемый коллимационный угол а б

Рисунок 9 - График статической характеристики системы измерения угловых отклонений по углу скручивания 0з (а) и по коллимационным углам 02 (б)

В ходе исследований доказана линейность статической характеристики экспериментального образца трехкоординатного автоколлиматора.

Экспериментальные среднеквадратические значения погрешности измерения согласуются со значениями расчетной суммарной погрешности и полученного в ходе моделирования СКЗ погрешности измерения угла скручивания и коллимационном канале.

Заключение

В процессе диссертационных исследований получены следующие результаты

1. Проделан анализ известных систем измерения угла скручивания, сформулированы требования к контрольному элементу (КЭ) и автоколлимационной схеме в целом.

2. Разработана классификация отражателей для измерения угла скручивания по матрице действия (зеркально-призменные системы классов Б или В), принципу формирования отражённого пучка, угловое смещение которого определяет угол скручивания (первого или второго типа в зависимости от того формируется ли отражённый пучок вследствие неполной ретрорефлекции или при падении пучка на отражатель под углом к оси скручивания).

3. Доказано, что для реализации контрольных элементов с увеличенной чувствительностью измерения угла скручивания его структура должна состоять из триад: базовый отражатель - дополнительный отражатель - базовый отражатель, причём базовые отражатели располагаются на поворачиваемом объекте, а дополнительный - на неподвижном.

4. Разработаны измерительные системы с увеличенной чувствительностью измерения угла скручивания с коллиматорной и автоколлимационной структурой.

5. Сформулирован критерий выбора типа базового отражателя при измерении скручивания.

6. Синтезирована структура композиционного контрольного элемента, реализующего увеличение чувствительности измерения угла скручивания и найден критерий подбора базового и дополнительного отражателей в составе композиционного контрольного элемента.

8. Разработаны принципы построения имитационных моделей функционирования автоколлимационной системы, позволяющие оценить влияние отдельных групп первичных погрешностей.

9. Исследована предложенная структура малогабаритной реверсивной автоколлимационной схемы с увеличенной чувствительностью измерения угла скручивания, а также с инвариантным измерением всех трёх угловых координат.

10. Реализован макет оптико-электронного трехкоординатного автоколлиматора и проведены его экспериментальные исследования, подтвердившие правильность разработанных методик и принципов построения.

Содержание и результаты диссертации отражены в следующих публикациях:

• из перечня, рекомендованного ВАК

1. Коняхин И.А., Копылова (Тургалиева) Т.В.. Коняхин А.И., Мерсон А.Д. Определение условий соблюдения инвариантности измерения угла скручивания в оптико-электронных автоколлимационных системах// Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. / Главный редактор д.т.н., проф. В.О. Никифоров. - СПб.: СПбГУ ИТМО, №3 (67), 2010. - С. 129. - 0,06 п.л./0,02 пл.

2. Михеев С.В., Араканцев К.Г., Копылова (Тургалиева) Т.В. Оптико-электронные системы контроля конструкций крупных промышленных сооружений по положению их элементов // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. / Главный редактор д.т.н., проф. В.О. Никифоров. - СПб.: СПбГУ ИТМО, № 4 (68), 2010. - С. 119. - 0,06 п.л./0,02 п.л.

3. Коняхин И.А., Копылова (Тургалиева) Т.В. Трехкоординатный оптико-электронный автоколлиматор с увеличенной чувствительностью измерения угла скручивания // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. / Главный редактор д.т.н., проф. В.О. Никифоров. - СПб.: СПбГУ ИТМО, № 6 (70), 2010. - С. 9-11. - 0,19 п.л./0,1 пл.

4. Коняхин И.А., Копылова (Тургалиева) Т.В. Оптико-электронная автоколлимационная система инвариантного измерения угла скручивания // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. / Главный редактор д.т.н., проф. В.О. Никифоров. - СПб.: СПбГУ ИТМО, № 5 (75), 2011. - С. 11-13. - 0,19 п.л./0,1 пл.

5. Igor A. Konyakhin, Tatvana У. Kopvlova (Turgalieva) and Aleksey I. Konyakhin. Optic-electronic autocollimation sensor for measurement of the three-axis angular deformation of industry objects // Proc. SPIE 8439, 8439IN, Optical Sensing and Detection II, - Brussels, 2012. -P. 1-7(8439IN). - 0,44 п.л./0,15 п.л.

6. Т.В. Тургалиева. И.А. Коняхин Исследование автоколлимационной системы измерения угловых деформаций крупногабаритных объектов // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. / Главный редактор д.т.н., проф. В.О. Никифоров. - СПб.: НИУ ИТМО, № 6 (82), 2012. - С. 150 - 151. - 0,06 п.л./0,03 пл.

7. Igor A. Konyakhin, Tatvana У. Kopvlova (Turgalieva). Alexsey I. Konyakhin and Andrey A. Smekhov. Optic-electronic systems for measurement the three-dimension angular deformation of axles at the millimeter wave range radiotelescope // Proc. SPIE 8759, 87593E, Eighth International Symposium on Precision Engineering Measurement and Instrumentation, - Chengdu, 2013. - P. 1-7(87593E). - 0,44 п.л./0,11 п.л.

8. Tatiana V. Turgalieva. Igor A. Konyakhin. Research of autocollimating angular deformation measurement system for large-size objects control // Proc. SPIE 8788, 878832, Optical Measurement Systems for Industrial Inspection VIII, - Munich, 2013. - P. 1-7(878832). -0,44 п.л./0,22 пл.

9. И.А. Коняхин, Т.В. Тургалиева Трехкоординатный цифровой автоколлиматор //Оптический журнал, том 80, №12, 2013. - С. 74-81. - 0,5 п.л./0,25 п.л.

- патенты и авторские свидетельства

10. Устройство для контроля поворота объектов: Пат. на изобретение РФ №2471148: МПК G01B11/26 / Коняхин И.А., Тимофеев А.Н., Копылова (Тургалиева) Т.В.. Серикова М.Г., Коняхин А.И., заявка 211126864, дата приоритета 29.06.2011, опубл. 27.12.2012, Бюл. № 36. -С. 1-12.-0,75 п.л./0,15 п.л.

- материалы конференций и сборники

11. Копылова (Тургалиева) Т.В. Трехкоординатный оптико-электронный автоколлиматор с увеличенной чувствительностью измерения скручивания // Сборник тезисов докладов конференции молодых ученых, Выпуск 2. Труды молодых ученых / Главный редактор д.т.н., проф. В.О. Никифоров. - СПб.: СПбГУ ИТМО, 2010. - С. 97-98. - 0,13 п.л.

12. Коняхин И.А., Копылова (Тургалиева) Т.В. Трехкоординатный оптико-электронный угломер со специальным построением канала измерения угла скручивания. / 9 Международная конференция «Прикладная оптика - 2010» / Сборник трудов (том 1, ч. 2) СПб: ГОИ им. С.И. Вавилова, 18-22 октября 2010. - С. 146-149. -0,25 пл./0,13 п.л.

13. Копылова (Тургалиева) Т.В. Исследование автоколлимационной схемы инвариантного измерения угла скручивания // Сборник тезисов докладов конференции молодых ученых, Выпуск 2. Труды молодых ученых / Главный редактор д.т.н., проф. В.О. Никифоров. - СПб.: СПбГУ ИТМО, 2011. - С. 109 - 110. - 0,13 п.л.

14. Копылова (Тургалиева) Т.В. Трехкоординатный оптико-электронный автоколлиматор с увеличенной чувствительностью измерения угла скручивания. // Аннотированный сборник научно-исследовательских выпускных квалификационных работ магистров НИУ ИТМО. - СПб.: СПб НИУ ИТМО, 2011. - С. 18 - 20. - 0,19 п.л.

15. Копылова (Тургалиева) Т.В. Исследование свойств контрольных элементов для измерения угла скручивания с увеличенной чувствительностью. // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых, Выпуск 2. Труды молодых ученых / Главный редактор д.т.н., проф. В.О. Никифоров. - СПб.: НИУ ИТМО, 2012. - С. 78-80. - 0,19 пл.

16. Копылова (Тургалиева) Т.В. Исследование биаксиалыгой схемы оптико-электронного канала измерения угла скручивания // XLI научная и учебно-методическая конференция НИУ ИТМО, 31 января - 3 февраля 2012 года: Актуальные теоретические и практические вопросы современного оптико-электронного приборостроения. Сборник трудов молодых ученых. - СПб.: НИУ ИТМО, 2012. - С. 90 - 93. - 0,25 п.л.

17. И.А. Коняхин, Т.В. Копылова (Тургалиева) Методы увеличения чувствительности измерения угла скручивания в автоколлимационных оптико-электронных угломерах / X Международная конференция «Прикладная оптика - 2012» 15-19 октября 2012 / Сборник трудов (том 1, секция 1) СПб: Опт. общ. им. Д.С. Рождественского, 2012. - С. 167. -0,06 п.л./0,03 пл.

18. Копылова (Тургалиева) Т.В. Трехкоординатная автоколлимационная система контроля угловых деформаций промышленных объектов // XVII СПб Ассамблея молодых ученых и специалистов. Сб. тезисов - СПб.: РГГМУ, 2012. - С. 146. -0,03 п.л.

19. Копылова (Тургалиева) Т.В.. Коняхин И.А. Исследование автоколлимационной системы инвариантного измерения угла скручивания со специальным переотражающим элементом / Альманах научных работ молодых учёных / Главный редактор д.т.н., проф. В.О. Никифоров. - СПб.: НИУ ИТМО, 2012. - С. 319 - 323. - 0,31 п.л./0,16 п.л.

20. Тургалиева Т.В. Исследование трехкоординатного цифрового автоколлиматора // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых, Выпуск 2. - СПб.: НИУ ИТМО, 2013. -С. 170-171.-0,13 пл.

21. Тургалиева Т.В. Исследование универсальной автоколлимационной системы измерения пространственного углового положения крупногабаритных объектов // XVIII СПб Ассамблея молодых ученбых и специалистов. Сборник тезисов. - СПб., 2013. - С. 124. -0,03 пл.

- отчеты по НИР

22. Копылова (Тургалиева) Т.В. Исследование и разработка многопараметрических измерительных преобразователей, приборов и комплексов многофункционального приборостроения для промышленных систем управления (Отчет по НИР № 390134 (Государственный контракт № 02.740.11.0169 от 25 июня 2009 г) Г.Р. № 01200959042, Этап 2 / В.В. Коротаев и др., СПб.: СПбГУ ИТМО, 2010. - 307 с. - 1,9 п.л./0,03 п.л.

23. Копылова (Тургалиева) Т.В. Исследование и разработка многопараметрических измерительных преобразователей, приборов и комплексов многофункционального приборостроения для промышленных систем управления (Отчет по НИР № 390134 (Государственный контракт № 02.740.11.0169 от 25 июня 2009 г) Г.Р. № 01200959042, Этап 3 / В.В. Коротаев и др., СПб.: СПбГУ ИТМО, 2010. - 310 с. - 19,4 п.л./0,46 п.л.

24. Копылова (Тургалиева) Т.В. Исследование и разработка многопараметрических измерительных преобразователей, приборов и комплексов многофункционального приборостроения для промышленных систем управления (Отчет по НИР № 390134 (Государственный контракт № 02.740.11.0169 от 25 июня 2009 г) Г.Р. № 01200959042, Этап 4 / В.В. Коротаев и др., СПб.: СПбГУ ИТМО, 2011. - 365 с. - 22,8 п.л./0,29 п.л.

25. Копылова (Тургалиева) Т.В. Исследование и разработка многопараметрических измерительных преобразователей, приборов и комплексов многофункционального приборостроения для промышленных систем управления (Отчет по НИР № 390134 (Государственный контракт № 02.740.11.0169 от 25 июня 2009 г) Г.Р. № 01200959042, Этап 5 / В.В. Коротаев и др., СПб.: СПбГУ ИТМО, 2011. - 269 с. - 16,8 п.л./0,22 п.л.

26. Тургалиева Т.В. Исследование и разработка универсальной оптико-электронной системы высокоточного позиционирования элементов составного зеркала с управляемой формой поверхности для радиотелескопов миллиметрового диапазона длин волн (Отчет по НИР № 300225 (Государственный контракт № П684 от 20 мая 2010 г), Этап 5) / И.А. Коняхин и др., СПб.: СПбГУ ИТМО, 2012. - 214 с. - 13,4 п.л./0,64 п.л.

27. Тургалиева Т.В. Развитие теории комплексирования информации в инвариантных оптико-электронных системах мониторинга состояния полипараметрических объектов (Отчет по НИР № 12361 (г.р. 01201252343 от 22.02.2012) / В.В. Коротаев и др., СПб.: НИУ ИТМО, 2013. - 244 с. - 15,25 п.л./0,3 п.л.

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении

«Университетские телекоммуникации»

197101, г. Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49.

Тел (812) 233-46-69, объем 1,0 п.л.

Тираж 100 экз.

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И

ОПТИКИ

На правах рукописи

I //,'

/ и

04201459612

ТУРГАЛИЕВА Татьяна Валерьевна

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ АВТОКОЛЛИМАТОРОВ С УВЕЛИЧЕННОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА СКРУЧИВАНИЯ

05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., проф. Коняхин И.А.

Санкт-Петербург - 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ.........................................................................................................2

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.....................................................................6

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................7

1 ОБЗОР ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ УГЛОВОГО ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ С ИЗМЕРЕНИЕМ УГЛА СКРУЧИВАНИЯ........................................................................................15

1.1 Описание задачи контроля пространственного положения объектов.......15

1.2 Оптико-электронные системы с измерением угла скручивания................19

1.2.1 Оптико-электронные системы геометрического типа..............................19

1.2.2 Прочие оптико-электронные системы измерения угла скручивания.....40

1.3 Выводы по Главе 1 и постановка диссертационной задачи........................42

2 ИССЛЕДОВАНИЕ КОНТРОЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ АВТОКОЛЛИМАТОРОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА СКРУЧИВАНИЯ........45

2.1 Математическое описание функционирования контрольного элемента авто коллиматора....................................................................................................45

2.2 Вид матрицы преобразования координат.....................................................46

2.3 Исследование схем построения ОЭА, определение условий инвариантности измерения угла скручивания относительно коллимационных углов........................................................................................................................49

2.4 Параметры и свойства зеркально-призменных систем, для автоколлимационных измерений угла скручивания..........................................51

2.5 Анализируемые параметры отражённого пучка..........................................53

2.6 Анализ выражений для орта отражённого пучка.........................................55

2.7 Исследование влияния ориентации векторов падающего и отражённого пучков на чувствительность измерения угла скручивания...............................58

2.8 Анализ полученных соотношений.................................................................59

2.9 Основные виды зеркально-призменных систем для формирования

контрольных элементов для автоколлимационных измерений........................61

2.9.1 Выбор класса зеркальных систем...............................................................61

г"-

2.9.2 КЭ для измерения скручивания на основе систем класса А....................62

2.9.3 КЭ для измерения скручивания на основе систем класса Б.....................64

2.9.4 КЭ для измерения скручивания на основе систем класса В....................65

2.10 Общие пути увеличения чувствительности измерения угла скручивания............................................................................................................66

2.10.1 Структура коллиматорной системы с увеличенной чувствительностью измерения угла скручивания................................................................................66

2.10.2 Алгоритм измерения скручивания в коллиматорной схеме с увеличенной чувствительностью.........................................................................68

2.10.3 Анализ функционирования композиционого КЭ, составленного из базовых отражателей первого типа на основе зеркальной системы класса В...................................................................................................................69

2.10.4 Анализ функционирования композиционого КЭ, составленного из базовых отражателей первого типа на основе зеркальной системы класса Б...................................................................................................................71

2.10.5 Анализ функционирования композиционого КЭ, составленного из базовых отражателей второго типа на основе зеркальной системы класса Б...................................................................................................................73

2.11 Основные выводы по результатам теоретического анализа.....................74

3 АНАЛИЗ СХЕМ АВТОКОЛЛИМАТОРОВ С УВЕЛИЧЕННОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА СКРУЧИВАНИЯ...............77

3.1 Выбор базового отражателя для построения КЭ..........................................77

3.2 Определение параметров базового отражателя на основе зеркально-призменной системы класса В...........................................................79

3.3 Автоколлимационная схема системы с увеличенной чувствительностью измерения скручивания.........................................................................................82

3.4 Анализ действия одиночного тетраэдрического отражателя при автоколлимационных измерениях.......................................................................83

3.5 Исследование автоколлимационной системы с увеличенной чувствительностью измерения скручивания на основе неоднородного КЭ ...87

3.6 Исследование автоколлимационной системы с инвариантным измерением угла скручивания на основе неоднородного КЭ................................................91

3.7 Исследование автоколлимационной системы с увеличенной чувствительностью измерения скручивания на основе однородного КЭ.......94

3.8 Выводы по Главе 3..........................................................................................97

4 АНАЛИЗ ТОЧНОСТИ ТРЕХКООРДИНАТНЫХ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ АВТОКОЛЛИМАТОРОВ КОНТРОЛЯ УГЛОВОГО ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ............99

4.1 Основные составляющие погрешности ТОЭА.............................................99

4.2 Построение имитационной компьютерной модели ТОЭА [5].................100

4.2.1 Принципы построения имитационной компьютерной модели.............100

4.2.2 Моделирование координат изображений марки в неподвижной системе координат ХУХ матричного анализатора...........................................................101

4.2.3 Моделирование пересчета полученных координат изображений марки в величины углов поворота с учетом параметров матричного анализатора, КЭ и объектива автоколлиматора................................................................................102

4.2.4 Реализация компьютерной модели...........................................................102

4.3 Исследование составляющих погрешности измерения ТОЭА на имитационной компьютерной модели..............................................................104

4.3.1 Исследование составляющей погрешности измерения ТОЭА вследствие приближений, принятых при разработке нелинейных уравнений, определяющих алгоритм измерения коллимационных углов и угла скручивания на имитационной компьютерной модели [5].............................105

4.3.2 Погрешность измерения вследствие отклонения фокусного расстояния объектива автоколлиматора от номинального значения.................................108

4.3.3 Погрешность измерения вследствие отклонения показателя преломления стекла тетраэдрического отражателя от номинального значения..................111

4.3.4 Погрешность измерения вследствие отклонения величин двугранных углов между отражающими гранями ТО от требуемого значения................113

4.3.5 Погрешность измерения вследствие отклонения угла наклона

переотражающего плоского зеркала от требуемого значения........................115

4.3.6 Зависимость погрешности измерения угловых координат от погрешности измерения координат изображений измерительных марок на чувствительной площадке вследствие шумов КМОП-матрицы....................117

4.3.7 Исследование суммарной погрешности измерения ТОЭА....................118

4.4 Выводы по Главе 4........................................................................................122

5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОЭА С УВЕЛИЧЕННОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА СКРУЧИВАНИЯ.............123

5.1 Экспериментальные объекты.......................................................................123

5.2 Общая методика экспериментального исследования................................123

5.3 Описание экспериментальной стенда ТОЭА..............................................125

5.4 Анализ составляющих суммарной погрешности измерения ТОЭА [68] 127

5.4.1 Основные первичные погрешности ТОЭА..............................................128

5.4.2 Частичные погрешности ТОЭА................................................................128

5.4.3 Суммарная погрешность ТОЭА................................................................130

5.5 Исследование суммарной погрешности измерения ТОЭА на имитационной модели.........................................................................................131

5.6 Обработка экспериментальных данных и представление результатов измерений.............................................................................................................134

5.6.1 Контроль параметров стабилизации автоколлиматора [67, 68]............134

5.6.2 Контрольные измерения [67, 68]...............................................................136

5.7 Выводы по Главе 5........................................................................................139

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................140

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..........................................142

ПРИЛОЖЕНИЕ....................................................................................................154

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

АК - автоколлиматор. ИИ - источник излучения.

КМОП - комплементарный «металл-окисел-полупроводник».

КЭ - контрольный элемент.

МФВЦ - многофункциональная визирная цель.

ОЭА - оптико-электронный автоколлиматор.

ОЭИП - оптико-электронный измерительный преобразователь.

ОЭС - оптико-электронная система.

ПЗС - прибор с зарядовой связью.

ПИД - полупроводниковый излучающий диод.

ПРК — приемный канал.

ПС - поворотный столик.

ПЧРС - позиционно-чувствительная регистрирующая система. СКЗ - среднеквадратическое значение. СКО - среднеквадратическое отклонение. ТО - тетраэдрический отражатель.

ТОЭА - трехкоординатный оптико-электронный автоколлиматор. ФК - формирующий пучок излучения канал.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Измерение углового положения объектов в пространстве является одной из насущных задач метрологического обеспечения науки и производства. В общем случае требуется измерение углов поворота относительно трёх взаимно-перпендикулярных осей, одна из которых совпадает с линией визирования объекта (ось скручивания), а две другие ей перпендикулярны (коллимационные оси). Углы поворота относительно указанных осей, соответственно, являются углом скручивания и коллимационными углами.

При решении многих практических задач наиболее важным для определения углового положения объекта является поворот объекта на угол скручивания.

В качестве примера могут быть указаны следующие задачи:

1. Измерения скручивания нагруженных магистральных нефте- и газопроводов, теплотрасс в местах подвески и надземных переходов с целыо обеспечения безаварийной работы, мониторинг состояния ферменных конструкций при ветровой закрутке относительно основания.

2. Измерение углов скручивания валов и пилонов крупногабаритных научных установок с целыо контроля точности их сопряжения и взаимного расположения при функционировании, например, угломестных осей и азимутальных колонн модернизируемых и строящихся крупногабаритных антенных установок полноповоротных радиотелескопов: ТНА-200 (диаметр 25 м, Щёлково), ТНА-400 (диаметр 32 м, Евпатория), ТНА-1500 (диаметр 64 м, Медвежьи Озёра), П-2500 (диаметр 70 м Уссурийск, Евпатория).

3. Определение взаимного разворота относительно линии сближения стыкуемых космических объектов, монтируемых относительно общей оси агрегатов и генераторов, частей выдвигающихся телескопических опор.

4. Метрологическое обеспечение испытаний макетов конструкций или образцов на деформацию кручения.

При метрологическом обеспечении рассмотренных задач требуются

высокоточные измерения с погрешностью не более единиц угловых секунд (10"3 рад) на дистанциях до контролируемого объекта от десятков сантиметров до десятков метров. Другим важным требованием при практической реализации является простая структура и малые габариты измерительного средства.

Для определения углового пространственного положения объекта эффективны оптико-электронные углоизмерительные автоколлиматоры включающие собственно автоколлимационный блок с каналами излучения и приёма пучка оптического излучения и устанавливаемый на объекте контрольный элемент (КЭ), чувствительный к повороту на угол скручивания. Приёмный канал автоколлиматора определяет изменение углового положения пучка, сформированного излучающим каналом после отражения от КЭ, что позволяет измерить повороты объекта. Преимуществом автоколлиматоров является отсутствие на контролируемом объекте активных опго-электронных компонентов, требующих электропитания и эксплуатационного обслуживания.

Однако в настоящее время разработаны и выпускаются одно- и двухкоординатные автоколлиматоры, измеряющие только коллимационные углы. Известны экспериментальные образцы трехкоординатных автоколлиматоров с измерением угла скручивания, а также макеты угломеров в виде композиции раздельных блоков: двухкоординатного автоколлиматора и приёмного блока измерения угла скручивания.

Указанные углоизмерительные средства не соответствуют требованиям практических задач.

В частности, макеты в виде композиции раздельных блоков имеют сложную структуру и неприемлемо большие габариты.

В известных трехкоординатных автоколлиматорах измерение скручивания выполняется по отдельному отражённому пучку, изначально составляющим некоторый угол А с оптической осью объектива автоколлиматора. При повороте на угол скручивания величина отклонения

пучка от первоначального направления изменяется, причём чувствительность к углу скручивания в смысле коэффициента пропорциональности между углом поворота КЭ и углом отклонения отражённого пучка от первоначального направления численно равна величине угла А. Поскольку величина А не может превышать углового поля приёмного канала автоколлиматора, равного десяткам угловых минут (до 0,015 рад), чувствительность измерения скручивания в сотни раз меньше по сравнению с чувствительностью измерения коллимационных углов с использованием пучка, отражённого от плоского зеркала (в 133 раза в рассматриваемом численном примере).

Реализация малогабаритных автоколлиматоров с увеличенной по сравнению с известными реализациями чувствительностью измерения угла скручивания затруднена отсутствием принципов построения, практических схем и методик расчета параметров располагаемых на объекте зеркально-призменных отражающих систем, которые функционально являются контрольными элементами, формирующими при отражении пучки с требуемыми свойствами, малой изученностью схем автоколлимационных измерений с их использованием.

Указанные обстоятельства определяют актуальность исследовании оптико-электронных автоколлиматоров с увеличенной чувствительностью измерения угла скручивания.

Целью диссертационного исследования является теоретическое и экспериментальное исследование оптико-электронных автоколлимационных систем измерения угла скручивания (в том числе образующих с другими измерительными каналами трехкоординатный автоколлиматор) с увеличенной чувствительностью измерения угла скручивания, а также разработка принципов построения отражающих контрольных элементов таких систем, методов расчета параметров и характеристик их компонентов.

Для достижения указанной цели необходимо решить ряд задач:

проанализировать принципы построения, структуру и основные

параметры известных оптико-электронных систем измерения угла скручивания;

• исследовать действие основных классов отражающих систем, использование которых в качестве отражателя позволяет осуществить измерение угла скручивания по автоколлимационному методу;

• проанализировать варианты построения композиций из базовых отражателей, позволяющих реализовать КЭ для автоколлимациопных измерений с увеличенной чувствительностью измерения угла скручивания;

• исследовать особенности структуры автоколлимационных систем с реверсивным ходом пучка, позволяющим уменьшить габариты и упростить структуру измерительной системы;

• разработать принципы построения и реализовать компьютерные модели функционирования измерительной цепи контрольный элемент — анализатор и исследовать с её помощью метрологические параметры и характеристики измерительной системы (нелинейность статической характеристики, оценка значимости составляющих погрешности измерения, определение методической погрешности вследствие влияния коллимационных углов на точность измерения скручивания);

• разработать методики расчета параметров базовых отражателей для построения КЭ измерения скручивания с увеличенной чувствительностью;

• используя полученные соотношения, разработать экспериментальный образец трёхкоординагного автоколлиматора с увеличенной чувствительностью измерения угла скручивания в виде оптико-электронного аппаратно-программного комплекса и выполнить его экспериментальные исследования.

Методы исследования. При теоретическом анализе зеркально-призменных систем и исследовании свойств КЭ на их основе используются соотношения геометрической оптики, векторно-матричные методы расчёта, а также разработанные на их основе методики.

В экспериментальной области при исследовании соотношений между параметрами КЭ, измерительной системы, анализе алгоритмов измерения угла скручивания и коллимационных углов измерений используются детерминированные и имитационные компьютер