автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Разработка и исследование измерительных систем с частотным развертывающим преобразованием систем с лазерным обзором

¡21 12 3 2

САМАРСКИЙ ОРДЕНА "ТР/ДОВОГО 1СРЛС1ЮГО ЗНАШ1Ш" ПСШТЕШ-1ЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

НЕКРАСОВ Леонид Павлович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ С ЧАСТОТНЫМ РАЗВЕРШВАЩШ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ-СИСТЕМ С ЛАЗЕРНЫМ ОБЗОРОМ

Специальность 05.11.16 -Инйормашюнно-измеритель ние системы (в промышленности)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических паук

Самара - 1993

га1от?. выполни на в Кооосибнрокок. ордо.'и "Знак Г1с-<зт&" институте им.хенероь геодезии, аэрофотосъемки и картографии

С^ЩИАЛЬН^Е ОППОНЕНТЫ:

д.т.н., профессор А.И. Ыартячин д.т.н., профессор Ю.П. Муха д.т.к., профессор З.С. Семенов

ВВДГцаЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: •

Научно-производственное объединение автоматических систем; г. Самара.

Защита состоится " " cfy-t&ptt J £ ■ 1993 г. в час. на заседании специализированного совета Д 063.16.01 при Самарском орцзна. "Трудового Красного '.(Знамени" политехническом инс^итуто по ацрзсу: 443010, Самара, 10,'ул. Галахтионопская, 141, ауц. 3

С диссертацией модно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " " с^сяаТрл 1992г.

ученый секретарь

специализированного совета

В,Г. Миров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В различных областях техники находит широкое применение предложенный Ф.Е. Темниковым приншш разверты -вания в координатах времени, пространства и состояний. Его использование для ИТ может означать преобразование информации или (и) упорядочение источников информации (активное и пассивное развертывание).

В технике связи, измерений известно такке перспективное направление, связанное с разработкой и применением устройств с ЧМ сигналами, обладающими повышенной помехоустойчивостью и возмож -настями измерения и обработки с высокой точностью.

Автором была поставлена задача создания эффективных много -точечных измерительных систем (ИС) с частотным преобразованием, в основе которых лежал бы приншш активного развертывания.

При этом возникают два аспекта проблем. Во-первых, есть су- • ществешше недостатки в попытке реализации таких систем. Так измерительные системы с развертывающим резонансным преобразованием, разработанные В.А.Строковом, должны содержать генегатор качаю -щейся частоты (ГКЧ), закон изменения которой должен быть линейным и стабильиым. Это обусловлено тем, что на ряд резонаторов воздействует ЧМ сигнал,и отклики резонаторов смещаются в зависимости от значений измеряемых параметров. Любая нелинейность , и нестабильность закона качания частоты вызывает соответствующую погрешность измерения. Требования высокой линейности и стабильности частоты усложняют генератор и препятствуют расширению его частотного диапазона при увеличении числа измеряемых величин. Следует подчеркнуть, что в качестве измерительных цепей (ИЦ) мскно использовать не только резонаторы, но И|различные апериодические цепи, имеющие на амшштудночастотных'и фазочастотных характеристиках какую-либо особую точку: экстремальную, точку перегиба или перехода через нуль. Сканирование низкодобротных ИЦ дает возможность снизить динамическую погрешность системы или повысить ее быстродействие. При этом возникает необходимость использовать для выделения указанных точек специальные пороговые устройства - выделители, например, экстрематоры. Кроме того, для систем развертывающего преобразования не исследованы вопросы использования различных участков электромагнитного спектра частот.

Так расширение рабочего частотного диапазона указанного класса

то ТС

систем до оптического диапазона (10 - 10 Ги) позволяет исследовать специфику и особенности оптических систем и устройств.

Одним из путей решения указанных проблем является органи -заиия операции сравнения частоты перестраиваемого электрического или оптического генератора с собственными (особыми) частотами набора соответствующих Щ - ответчиков, выделение специаль -ными пороговыми устройствами моментов совпадения этих частот и использование откликов цепей для измерения (или контроля) физических величин путем измерения в указанные моменты текущих значений частоты генератора. Этот путь соответствует активному развертыванию по операционной схеме:

г I,

X, » v

• » « •

А 1«

где ( У ( — ) - измеряемые параметры, записанные в виде матрицы-столбца; ( - собственные (особые) частоты Щ; Р -периодическая развертывающая функция (частота); С^ - операция сравнения; ( - импульсная функция результата преобразования.

Второй вид проблем сводится к эффективному использованию измерительных средств. Прежде всего, ограничены возможности по измеряемым параметрам. До настоящего времени с помощью частотных систем развертывающего преобразования измерялись (без сложных предварительных преобразований), в основном, параметры электрических цепей. Это обусловлено частотным развертыванием в электрическом диапазоне. Переход к оптическому диапазону позволяет исследовать другие возможности систем и определить области их рационального использования, в частности, для дистаиионного измерения положений объектов, разнесенных в пространстве. Прове -дение подобных измерений методами визирования системой "глаз -оптическое устройство - цель" не всегда оправдано, например, для объектов недоступных, малодоступных или опасных, таких как

S"

ускорители, атомные электростанции, шахты, протяженные конвейеры, громоздкое оборудование и др. Условия работы этих, часто уникальных, объектов (радиоактивность, высокая температура, сильные электромагнитные поля, вредные испарения) требуют выполне -ния высокопроизводительных котировочных и измерительных опера -иий в ограниченные промежутки времени и с минимальным обслуживающим персоналом. Для решения этих задач осознана необходимость использования лазерного диапазона частот, в том числе, с пассивным развертыванием, когда проводится простое упорядочение во времени измерительной информации от элементов информационного пространства. В общем случае съем измерительной информации от набора источников возможен как по одному направлению в пространстве, так и по разным направлениям. При этом возникают задачи использования лазерных разверток с развертываемыми системами в виде частот или (и) углов (в пространстве) и исследования характеристик соответствующих ИС. Операционная схема такого (пассивного) развертывания:

X*.

X,

и

к р

Vz

где - коммутирующая функция (частота или угол);

Р - распределитель измеряемых параметров;

( X*, - ^ ) - измеряемые параметры на входе центрального измерительного устройства, упорядоченные во времени в соответствии с периодом коммутирующей функции.

Автор в теории и практике обои« положений опирался на работы: Т.М.Алиева, В.С.Большакова, А'.ЩГолубева, У.И.Гитиса, Г.П. Камса, Е.М.Карпова, А.Е.Кобринского, В.В.Клюева, ЩЛСамена, B.C. Летохова, М.Т.Прилепинэ, Е.П.Попова, Ю.В.Сальникова, А.Д.Седова, Ш.Суро, В.Б.Смолова, К.К.Сапопа, Ф.Е.Темникава, Э.Тама, Е.Н.Узи-ловой, М.П.Цапенко, Е.А.Юревича, Д.Ф.Янга и многих других.

Однако в этих работах недостаточно разработаны вопросы теории и практики ИС с частотны?.! развертывающим преобразованием и систем с лазерным (сканирующим) съемом измерительной информации.

Ядро теории - обобщение принципов построения и анализа х. ракгерпстик систем.

Теоретический фундамент решения поставленных задач залоке в работах С.Д.Амромина, В.С.Гутникова, Я.А.Дуброва, А.И.Зайко, В.Г.Кнорринга, Л.Ф.Куликовского, К.Л.Куликовского, В.Я.Купёра, П.В.Ноешжого, С.Г.Рабиновича, В.А.Строкова, М;П;Свиланса, А.А Харкевича, М.П.Цапенко и других.

Поставленная проблема решалась в рамках комплексных целе .вых научно-технических програглм "Датчики" (гос.ударс твеиная ре гистраиия № 01826014905), "Роботы" (государственная регистраш В 810274446), выполненными по важнейшей тематике в НИИГАиК (1976- 1990 г.г.), ряда договоров с предприятиями страны, под руководством и при непосредственном участии соискателя.

Предает исследований. Структуры и алгоритмы функииониро вания ИС. Особенности, метрологические характеристики и функш анальные узлы систем. Принципы пассивного и активного разверп вания в измерительной технике. Метод квазиуравновешивающего частотного развертывающего преобразования. Технические средст; ИС. Лазерные ИС для обслуживания малодоступных объектов, гро моздких объемных конструкций.

Цель работы. Развитие метода частотного развертывания. Разработка теории и практических приемов измерения, а также т нкческих средств ИИС для народного хозяйства, основанных на частотном квазиуравновешенном развертывающем преобразовании пассивном (лазерном) развертывании по частоте и пространствен ному углу.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следз ющке задачи.

1. Провести аналитический обзор современного состояния теории и создании развертывающих ИС.

2. Разработать способы и структуры устройств для измере; набора физических величин на основе частотного разЕертываюце] преобразования в электрическом и оптическом диапазонах. ГГрз этогг снять требования к линейности и стабильности частотной развертки. Обеспечить возможность использования апериодическ: ИЦ, снизить, тем самим, динамическую погрешность и повысить быстродействие систем.

3. Исследовать метрологические характеристики ИС (анали погрешностей, быстродействия, число каналов, диапазоны измер

?

емых параметров, систематизация измеряемте величин).

4. Исследовать' возможности развертывающих ИС оптического диапазона для дистанционного определения положений объектов, разнесенных в пространстве. Использование лазерной частотной развертки и лазерного сканирования.

5. Разработать специальную элементную базу систем.

6. Разработать, апробировать и внедрить образцы конкретных ИС и устройств для испытания и обслуживания объектов по заказам народного хозяйства.

Таким образом, разработка теЬретическгос основ измерительных систем с частотным развертывающим преобразованием и систем с лазерным обзором, изложение научно обоснованных технических решений и их внедрение является новым крупным достижением в развитии принципов активного и пассивного развертывания в измерительной технике.

Методы исследования. В качестве методологической основы работы использовались аналитические п экспериментальные методы. Разработка ИС и их узлов проводилась путем применения аппарата структурно-функционального анализа,'теории погрешностей, имитационного моделирования на ЭВМ 1ЕС-^022). При описании устройств использовались компактные содержательные логические схемы алгоритмов, позволяющие представлять алгоритмы функииониро -вания с наперед установленной степенью детализации и млнимизи -ровагь объем алгоритмов. ! '

Научная новизна выполненных исследований заключается в ' следующем.

1. Поставлена и решена задача создания класса эффективных развертывающих ИС с частотным развертывающим преобразованием и систем с лазерным обзором.

2. Сформулированы основные задачи развития метода частотного развертывания, разработки основ теории, практических приемов измерения и технических средств. .

3. Проведено теоретическое исследование и получен ряд новых результатов, которые положены в основу предложенных мето -дое и систем. '

4. Разработан метод определения отклонений от. направле -ния луча для набора объектов с использованием лазера, перестраиваемого по частоте. '

5. Разработан метод и алгоритмы определения взаимного уг--лового положения разнесенных объектов с использованием лазер -

ного сканирования.

6. При создании ИС с частотным развертывающим преобразованием и систем с лазерным обзором разработан ряд оригинальных устройств, защищенных авторскими свидетельствами.

7'. Построена (для частного случая) математическая модель оптико-электронного матричного анализатора изображений и пред -ложена методика выбора конструктивных и технологических параметров анализатора по заданным метрологическим характеристикам.

Практическая ценность работы. I. Результаты работы в целом являются теоретической основой для создания предложенного класса ИС. Разработки доведены до комплектов конструктдарской документации, экспериментальных образцов и расчетов, включая расчеты на ЭВМ.

2. Использование разработанных методов и алгоритмов позволяет за счет снятия требований к линейности и стабильности частотной развертки, к избирательным свойствам ИЦ, использования лазерного диапазона частот, обеспечить соответственно упрощение генератора развертки, улучшить динамические и точностные характеристики систем, расширить их функциональные возможности.прежде всего, по измеряемым параметрам при работе в экстремальных условиях.

3. Теоретические методы реализованы в следующих устроист • вах: автоколлимационные измерительные системы АИС-1, АИС-2 с лазерным сканированием для контроля взаимного углового положе ■ ния разнесенных приборов, узлов космического корабля на стапе' лях при его диагностике; лазерный многоточечный створофиксатор ЛАСТ с частотным развертыванием для определения отклонении объ ектов от направления луча; измерительные системы ИСхОС, ИС2, ИСлООР и др. с частоткш развертыванием в электрическом диапа зоне при использовании первичных измерительных преобразователе параметрического.типа; частные технические решения и функгшо -нальные узлы систем (лазерный авгоколлимагор ЛА-3, яреобразове тели ПШ1-1, ППЛ-2, ШЕР линейного и углового положения, переме щения носителя с кодовым растром, матричный анализатор изображении МАИ, локатор-реииркулятор на полупроводниковом лазере Д1 сканирующего анализа трехмерных сиен).

4. Предложенные в работе ИС и .устройства могут быть исло; зовакы: для измерения физических величин с предварительным щ образованием их в параметры электрической цепи; для проведеш геодезических многоточечных створных измерений при строительс

ве я эксплуатации протяженных инженерных сооружений (линейные ускорители, конвейеры, шахты, подкрановые пути, тоннели, мосты и др.); в космической технике при предстартовой диагностике космических кораблей; в робототехнике второго и третьего поколений при оснащении роботов сенсорными преобразователями ( автоколлиматор, преобразователи угла, анализатор изображений»локатор) и для унифицированного представления сенсорной информации.

Внедрение. Материалы по принципам построения, элементам теории, практике освоения оптического диапазона систем с частотным развертыванием, исследование вопросов проектирования и анализа лазерных сканирующих ИС для определения взаимного углового положения набора отражающих объектов использованы в учебном процессе НШГАиК (лекши, курсовое и дипломное проектирование, НИРС, студенческое КБ).

Обиий подсчитанный экономический эффект от внедрения (практического использования) результатов диссертационной работы составляет 1434,0 тысячи рублей, а с учетом ожидаемого эффекта -около 2,0 млн. рублей в год.

Апробация. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на всесоюзном семинаре ПО"автоматизации эксперимен -тальных исследований (Минск, 1973), всесоюзной конференции по ИИС (Ивано-Франковск, 1973), всесоюзной конференции по внедрению достижений в области робототехники и электроники в биологию и медицину (Новосибирск, 1973), всесоюзном симпозиуме по современным методам и аппаратуре для измерения параметров радиопепей (Новосибирск, 1974), всесоюзной конференшш по. обработке изображений и дистанционным исследованиям ШоЕосибирск, 1981;, всесо -юзной конференции по измерению и контролю при автоматизации производственных процессов (Барнаул, 1982), седьмом Оьезде BATO (Алма-Ата, 1980), всесоюзном симпозиуме по методам и средствам обработки оптической информации (Москва, 1983), всесоюзной конференции по робототехнике и автоматизации производственных процессов (Барнаул, 1983), республиканском научном совещании по промышленным роботам и робототехническим комплексам (Ленинград, 1983), всесоюзных совещаниях по координатно-чувствительным фотоприемникам и оптико-электронным устройствам на кх основе (Барнаул, 1987, 1989), Ввсесоюзной научно-технической конференции "Автоматизация машиностроения на базе новых элементов и уст -ройств при реализации программы "Интенсигаикашш-ЭО" (Ленинград, 1988), всесоюзных совещаниях по оптическим сканирующим устройс-

-----------------------------------------„„ тп- fcanuoirir tqrd tora

ÍO

1988, 1990).

Материалы исследований систематически обсуждались на научно-технических конференциях и семинарах НШГАиК, НЗИС, НЗТИ, СО АН СССР (ЕЦ, СкбНАТИ, СибШЭ, ИНХ), НИИПГ, ЛШ1, ЛЭТИ, КПК, ШЫ, АГШ, ВО "Знание'', BATO.

Публикашш. По материалам исследований опубликовано порядка 50 печатных робот, в том числе монография.

На защиту выносится: I. Структурно-функциональная модель измерительных процессов, основанных на частотном развертывающем-преобразовании и лазерном обзоре.

2. Структуры ИС и специальных устройств.

3. Анализ характеристик систем.

4. Методы дистанционного определения линейных и углогых положений (отклонений) разнесенных объектов, с использованием лазерной частотной развертки и лазерного сканирования.

5. Измерительные системы с частотным развертыванием и лазерным сканированием и устройства, разработанные и внедренные в народное хозяйство страны за период с 1967 г.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений, изложенных на ^Hi страницах , списка использованных источников из<2^3 наименований на 2.9 страницах и содержит ¡Z6 рисунков и /4 таблиц на страни -иах. Оощий объем работы ЧТО страниц сквозной нумерации.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

§2 введении ' показана актуальность темы диссертации, дан краткий анализ состояния проблемы, определены цель и задачи исследований, охарактеризована научная новизна и практическая ценность результатов работы, даны сведения по апробации и внедрению результатов, сформулированы основные положения,'выносимые на защиту.

В первой обзорно-постановочной главе выполнен анализ положения в теории и создании развертывающих ИС и определена область исследований.

Во второй главе разрабатываются теоретические основы рассматриваемого класса "ИС. Обобщенная структурно-функциональная схема' такой системы приведена на'-рис. 2. Рассмотрим процесс измерения параметров - с использованием активного частотного развертывания (частотного развертывающего преобразования) .

и

Pue. 2.

12.

В измерительной системе изменяющаяся частота генератора со -поставляется с амплитуднс-или фазо-частотными характеристиками измерительных цепей и в моменты совпадения ее с собственными (особыми) частотами цепей запускается устройство измерены текущего значения частоты (или периода) напряжения генератора. Ука -занная особенность позволила в измерительных системах снять требования по линейности и стабильности частотного развертывания. Причем измерительными цепями могут быть не только высокодобротные резонаторы, а любые частотозависимые цепи независимо от их добротности.

При измерении изменяющейся частоты неизбежна соответствующая методическая погрешность. Для ее снижения предпочтительно измерение не частоты, а периода сигнала генератора, т.к. в этом случае ошибка монет составить всего один период. Относительная методи -ческая погрешность равна

£ *

где ^ - скорость развертки,

- время от момента равенства частоты генератора собственной частоте измерительной цепи до начала измеряемого (последующего) периода.

В известном способе В.А.Строкова, монет возникать динамическая погрешность , выражающаяся в смещении отклика на выходе резонатора при питании его напряжением изменяющейся частоты р- _

где ^ добротность резонатора.

Приравняв в сравниваемых способах собственные частоты цепей, скорости разверток и взяв отношение погрешностей, получим выигрыш в ( ^О^/тг )^ раз. Например, при добротности 100 выигрыш может составить 10 раз.

Использование низкодооротных ИЦ позволяет повысить и быстродействие ИС, т.к. в этом случае не возникают значительные динамические погрешности. Выигрыш в быстродействии при равных погрешностях преобразования' (или выигрыш в погрешности при равном быстродействии) может составить пгрядка 104 раз .

В работе положено начало освоению лазерного диапазона 'рас -сматриваемого класса систем с соответствующей элементной базой (оптической, оптоэлектронной). Выходное устройство может изме -рять управляющий параметр лазера. Погрешность измерения определяется добротностью оптической Щ и качеством фотоприемного устройства.

Освоение оптического диапазона измерительных систем предус -матривает.-.. использование оптических Щ и специальных оптических

пороговых устройств для выделения соответствующих признаков излучения (уровень, фаза, поляризация...)..В свою очередь, эти признаки (свойства измерительных целей) могут определяться исследуемыми параметрами: пропускание стекла по спектру, температура, состав атмосферы, анализ газовой смеси, магнитное поле, частота максимальной чувствительности фотоприемников и др.

В общем случае оптическое пороговое устройство (ОПУ) включает в себя .оптическое входное устройство, фотоприемник и электронное выходное устройство. На рис. 3 приведено одно из устройств, реагирующих на уровень излучения. Время переключения таких амплитудных устройств (АОПУ) составляет порядка I не, минимальный по -рог срабатывания - около 10 лк, чувствительность - около 0.1 мА/лк Выбор порога и чувствительность устройства может осуществляться: питающим напряжением; включением и подбором резистора, шунтирующего эмиттерный переход одного из транзисторов, использованием одного или двух фототранзисторов (график, рис. 3) и подсветкой фотогранзисторов. При реализации фазовых ОПУ (ФОПУ) использова -лось явление интерференции исследуемой волны (например^ отраженной от объекта) со вспомогательной (опорной) волной. Таким обра -зом' информация о фазе исследуемой волны содержалась в амплитуде результирующей волны. На рис. 4 приведено одно из поляризационных ОПУ (ПОПУ). Оно реагирует на поворот плоскости поляризации изучения и основано на законе Малюса- 3 = Со^сЛ. , где

- интенсивность падающего линейно - поляризованного (лазер -ного) излучения, 3 - интенсивность прошедшего излучения, с<. - угол поворота плоскости поляризации.

"Число каналов ИС. Рассмотрим случай резонансных ИЦ, когда добротность резонаторов меняется лишь в пределах своего канала. При опросе измерительных цепей с индуктивными и емкостными-первичными преобразователями число каналов:

Г

2к

VI

V2

/

0.5

W

V2

V2

' I

v/

0 /0 20 30 40 JO 60

E, AH.

P U.C. 5

^/-ll

3 / i

1 13l.

P u.c. ¿t

где Р - коэффициент перекрытия частот генератором

Д = \Г^г1 +

\ 4-

га

и

V« - диапазон (в разах) измеряемого параметра;

0.ц - добротность резонатора в начале частотного диапазона канала.

Графики на рис. 5 иллюстрируют зависимости числа каналов от коэффициента перекрытия частот, диапазона измеряемых параметров и добротности резонаторов. Они дают возмокносгь, например, выбрать оптимальные соотношения мевду указанными параметрами.

Для апериодических цепей (рис. 6)

. VI. = -—- • Сч т

Максимальное число каналов для рассматриваемых систем при последовательном и параллельно-последовательном опросе ИЦ может находиться соответственно в пределах 200 и десятков тысяч.

Анализ погрешностей. Для ИС с пороговыми устройствами-экс-трематорами основными составляющими погрешности могут являться:

1) погрешность измерительной цепи, например, резона -тора; л

2) погрешность о3 экстрематора, которая монет включать ряд составляющих, например, ^ - погрешность фильтрации (выделения огибающей сигнала резонатора), о^. - погрешность дифференцирования огибающей, о^ - погрешность от порога чувствительности частотомера по входу запуска;

3) методическая погрешность а .ц. ;

4) погрешность частотомера;

5) динамическая погрешность о ^

¡¡^ = ¿к г + (к - а-) ^ + ^ ,

а = а / ^ алм1,

Рос. е

•^р - погрешность измерения частоты резонанса, к которой могут быть сведены все оставшиеся погрешности (2-5)

^ ^ о + ЖйГа ^ ~ т^о. '

где /V = Г^ ¡Ь / 4

^ - постоянная фильтра; а

Т- гтгТГс Г

где I ^ - постоянная дифференцирования.

где - напряжение запуска; К - коэффициент усиления сигна-

ла дифференцирующего звена; Ер - напряжение при резонансе.

о ■>

- скорость изменения частоты; - резонансная частота.

^"тг' г п

Числовые оценки погрешностей показали, что наиболее значительными являются погрешности от фильтрации и динамическая (обе порядка Ю-*2).

Исходя из динамической погрешности проведена оценка быстродействия ИС. Время одного измерения может составить порядка 13 мс Используя нелинейное изменение частоты

где , гач

р х - скорость изменения частоты в полосе первой цепи, ь -номер цепи, можно (при прочих раъных условиях) снизить время измерения по сравнению с временем (линейное изменение частоты):

где i - время изменения частоты в полосе первой цепи. При

' И-1

этом очевиден выигрыш в р раз.

Рабочие частоты измерительных систем. Анализ функциональных узлов показал, что частоты систем электрического диапазона могут лежать в пределах от тысячных долей Гц до IOO ГГи, а для

тт тс

систем лазерного диапазона - от 5-10 до 10 Гц.

Диапазон измерения лазерных сканирующих систем. Разработаны и исследованы системы для дистанционного определения взаимного углового положения отражающих объектов в диапазоне + 100" . Время измерения по заданным 25 объектам составляет 0,5 - 2 часа. Исследованы два варианта ИС:

1) система (рис. 7,8) с опросом объектов по периметру конструкции;

2) система (рис. 9), в которой конструкция устанавливается на поворотный стол.

Диапазон измерения о<гл оценивался исходя из размеров оптических элементов - пентапризм ( с^п ) и светового диаметра объектива автоколлиматора (°(сх-):

где ^ с. - световые диаметры пентапризм и объектива;

S - длина хода луча; 206265 - переводной множитель. <\ При оценке точности ИС учтены: погрешность автоколлиматора

, сканирующего устройства о с , влияние температуры ( ), вибраша ( Og ) и погрешность юстировки ^^ . По сравнению с существующей методикой измерения (п/я Г-4805) общая погрешность уменьшена в 6-9 раз и составила менее 10".

Преобразование координаты лазерного пятна в цифровую форму осуществляется перемещением растров вдоль координатных осей. На рис. 10 схематично представлен фотоприемный узел с неподвижным и подвижным растрами и зависимость выходного напряжения фотоприемника от положения растра. Координата X. соответствует смещению пятна от условного нуля. Число импульсов соответствует координате. Для гого, чтобы счет импульсов происходил от энергетического центра пятна, используется опорное напряжение .

В погрешность авгоколлимагора входят: ^погрешность ^^ определения координаты пятна,' погрешность Ор дискретности растров и погрешность от несовпадения плоскости раст-

L zr r^suoo

и-с

тм-

см

Рис. 9

Pue, 8

2Д

да с фокальной плоскостью объектива автоколлиматора. Погрешность определения координаты пятна в линейной мере

где К | , Кг. - числа импульсов для сравниваемых положений пятна, (1 - шаг растров, Д к - погрешность шага, Дя (, д и г.- погрешность счета импульсов.

Максимальное значение м = £ (о, 0 01V + = 0,22^

где /\/ - число штрихов растра. В угловой мере <Ь ^ = 2".

а <1 ^ ДпС*™

где р - фокусное расстояние автоколлиматора.

где X и Н* - параметры сканирующего устройства (кулисного механизма).

- . ¿..Й, ( А И1 лт

где И - показатель преломления воздуха, (/ и' /с1"Г - температурный градиент показателя преломления, с1-Т~ / градиент температуры среды по дистанции.

где Ои - вибрация фундамента.

I

где 0 п — погрешность угла пентапризмы;

гх , г» - увеличения трубы теодолита, используемого для юстировки и трубы с условным окуляром.

В третье': и четвертей главах приводятся сведения о применении разработанных лазерных методов сбора информации о взанл -ном расположении разнесенных объектов для роботизации инженер -нс-геодезических работ (операций), излагаются результаты реализации лазерных развертывающих ИС и систем с электрической частотной разверткой.

На рис. 7,8 н рис. 9 представлены два варианта лазерной сканирующей ИС пвтпколлнгашонпого типа (АИС-1, АИС-2), предназначенной для определения взаимного углового положения приборов, узлов (до 25 штук), размещенных по периферии космического ко -рабля на стапелях при его диагностике. Система,"являясь по сути управляемым с пульта биотехническим роботом, служит для автоматизации измерений, проводимых в настоящее время визуально бригадой операторов с помощью теодолитов в опасных условиях обслуживания сложной и громоздкой конструкции; при сложной последующей вычислительно/ обработке результатов наблюдений. Обслуживающий персонал сокращен с пяти до двух операторов. Применение системы для предстартовой диагностики космического корабля позволяет уменьшить рыскания аппарата относительно заданной траектории в полете, ск:::хзть затраты горючего, увеличить полезную загрузку. По имеющимся отечественным и зарубежным данным в настоящее время нет подобных систем для определения взаимного утло -вого положения объектов, размеренных по периметру громоздких конструкций. Эконог.зическпй эффект от внедрения только одной системы составляет более 0,5 млн. рублей. Системы целесообразно применять на предприятиях министерства среднего машиностроения (например, n/я Г-4805, п/я А-7040).

В инженерной геодезии при строительстве и эксплуатации протяженных сооружений везникает задача сбора информации о линей -ных отклонение объектов, расположенных вдоль одной прямой. Такого рода измеренгл называют створными. Во многих случаях задача не решается традиционными методам: визирования системой "глаз - оптическое устройство - цель". Такая система не межет быть использована в зонах повышенной опасности для человека (радиоактивность, высокая температура, сильные электромагнитные поля, вредние испарения и др.). Для обслуживания точек протя -кенного створа (стээрных марок).длиной 100 м и более,в конст -рукшшх марок обычно предусматривается возможность поочередной установки их из горизонтального в вертикальное (рабочее) положение. сто не позволяет производить измерения с высокой произ-

2.3

водитэльностью.

Представлено практическое приложение систем с частотной разверткой оптического диапазона для выполнения ссзсрных измерений (рис. II). Лазерный дафференшшльь'и'.: сггсрофсезетор позволяет исключить кабсзсдателя из изкирш-е.'^^сгс. г.српесса, повысить производительность и точность измерений. Произвол?^-г.--ность повышена путем введения в рабочий створ необходимого количества неуправляемых марок - режекторных оптических КЦ, етг-ющих в полосе подавления переменную плотность по линейной координате. Для восприятия измерительной информации использована известная (в оптике) зависимость пропускания (отражения) ин -терферешшонного фильтра марш от угла падения луча на фильтр. Интерференционные фильтры марок являются фильтрами первого порядка и имеют попарно равные оптические толщины диэлектричес -ких слоев для того, чтобы их полосы пропускания не перекрыва -лксь. Причем, полоса самого коротковолнового фильтра ( первый порядок) должна находиться ближе (на частотной оси) полосы самого длинноволнового фильтра (рис. 12), где и Т2 - пропускания фильтров; 1,2 ... - номера марок; } - частота.

Здесь же виден необходимый диапазон.Д перестройки лазера.

По сигналу выходного регистрирующего устройства происхо -дит управление положением марок опорного створа (рис. II). При частотной перестройке лазера измеряются отклонения всех точек рабочего створа, в которых установлены марки. Для цифрового преобразования информации использован растровый преобразователь (глава 5). Время одного измерения составляет около 10 с при погрешности измерения порядка 0,1 мм. •

Реализован ряд измерительных систем (ИСЮС, ИС2, ИС100Р и др.) с частотным развертывающим преобразованием в электричес -ком диапазоне, первичными преобразователями параметрического типа и различными пороговыми устройствами - выделителями собственных (особых) частот измерительных цепей. Время одного измерения 0,01 - 1,0 с. Погрешность измерения 0,5 - 0,1 й. На рис. 13 показана измерительная система ИСЮОР с параллельно-последовательным опросом (100 резонансных измерительных цепей). : Кассета с десятью измерительными цепями, усилителями и диффе -ренцирующими цепями изображена на рис. 14.

Проведено сопоставление измерительных систом частотного развертывающего преобразования о известными коммутаторными сис-

¿r cJ

kwwwwwwws

xnwwwwwwww^s

wwwwwwwww

wmwwwwwwv

s\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\V

mm\\\\\\\№

о CU

ЛГ!

у

"3 /

-N

- i

T,

T4

Тз

.! !!

/ХГ-

4 tc АЦП

Рас. И

Jl.

г i г л

/

/

• л

JA

"M

рис. А г.

2в

Рixe, \ 3

2,7

'. .. ■ i -—___'.-» __________

- i ; ; . . . •. ; • • ' - ""Л',"./ ZUJÜ'J.L'*

Рис.ДЧ

г.8

темами (глава I). Сопоставление по структурной сложности показало, что при равных .метрологических характеристиках систем ( погрешность порядка 0,1 - 0,5 %) первые, например, могут быть построены на меньшем числе интегральных схем. Вынгрич растет с ростом числа И. измеряемых величин. Так, при и =' 10 и ц =100 выигрыш составляет соответственно 1,1 и 2,7 раза. Выигрыш в быстродействии (время измерения) начинает проявляться прии$=0,25. Например, при погрешности 0,01 выигрыш появляется при 25 каналах и растет пропорционально числу каналов.

Системы могут быть использованы в очувствленных'роботах второго и третьего поколений для сбора и частотного представления измерительной информации от набора параметрических сенсорных преобразователей исследуемых физических величин, таких как температура, давление, перемещение, сила, деформация, освещенность и др. При этом упрощается преобразование частотного сигнала в унифицированный цифровой код.

В пятой главе приводятся сведения о разработках специальных устройств и измерительных преобразователей, входящих в состав рассматриваемого класса ИС (лазерный автоколлиматср ЛАЗ, растровые преобразователи .положения вала ППЛ-1, Ш1Л-2, ППР; элементы сканирующего анализатора сиен и др}; проведена систематизация измеряемых величин с выявлением некоторых потенциальных функций развертывающих ИС.

Для лазерных ИС со сканированием (рис. 7-9), а также по отдельным заказам предприятий (ЦКБ "Точлрибор", завод "Сибстанко -электропривод", НИИ Арктики и Антарктики) разработаны и созданы прецизионные фотоэлектрические преобразователи углового положе -ния вала в двоичный код и реверсивные преобразователи перемете -ний. На рис. 15 изображен преобразователь ППЛ-1 для кодирования угловых положений вала с использованием приборов с зарядовой связью ЦП1 (А1033 ). Погрешность преобразователя 20". Преобразователь ППЛ-2 с погрешностью около 2" построен на основе ко-ординатнз-чувствительного фотодиодного устройства К849ПП1. Разработанные преобразователи, являясь функциональными узлами измерительных систем, могут найти и самостоятельное применение, например, в качестве сенсорнкх преобразователей положений и перемещений органов робота, в станках с ЧПУ.

Исследование, проведенное в главе 2по выявлению изолиний параметричэских полей, получало развитие (для частного случая развертки) в создании оптоэлектронной системы персептронного типа с папаллельным воспшштием пространства (сцены). Система

¿у

(матричный анализатор сцен МАИ, рис. 16) основана на пр-да нении пакета трубчатых фотоприемных, устройств, позволяющих гш после -дуемой поверхности выделять и анализировать отдельные участки. Решались задачи пассивного и активного (с подсветкой) анализа сиен. Матричный анализатор нашел применение при реализации технического предложения на систему машинного видения, выполняющую функцию визуального контроля чистоты рабочей поверхности пресс-форм термопластавтомотов "Идра" (задание Новосибирского приборостроительного завода им. В.И.Ленина). '

Для задачи сканирующего анализа трехмерных сиен разработан и апробирован компактный импульспый локатор - оптический рецир-кулятор на полупроводниковом лазере с дальностью действия порядка нескольких м. Кроме того, локатор может найти применение в геодезии для определения превышений инструмента, прибора над уровнем земли; для измерения расстояний до марки при нивелировании, для определения больших смещений объектов в створных измерениях (глава 3). Его можно использовать и в робототехнике■ при определении расстояния до объекта, препятствия, а при сканировании - получать информацию о форме объектов и местополо -нении робота в пространстве.

заключение

1. Разработаны основы теории ИС с частотным развертывающим преобразованием и систем с лазерным обзором, основанные на комплексном решении совокупности взаимосвязанных задач. Е рамках теории представлена структурно-функциональная модель измери -тельных процессов, построены структуры ИС и специальных устройстЕ сформулирована и решена задача создания эффективных развертывающих ИС.

2. Вскрыты, математически описаны и исследованы новые> свойства рассматриваемого класса ИС с частотным развертывающим; преобразованием в электрическом и оптическом диапазонах: отсутствие требований к линейности и стабильности Частотной развертки, возможность использования и резонансных и-апериодических часто-тозависимых Щ с их разнообразными собственными (особыми) частотами. Полученные теоретические результаты положены в основу создания систем с упрощенным генератором развертки, улучшенными динамическими и функциональными характеристиками.

3. Предложен подход и разработаны эффективные лазерные методы измерения положений разнесенных объектов, заключающиеся в решении практических задач по обслуживанию ускорителей, шахт , громоздкого оборудования в опасных условиях, при радиации, вред-

геодези'-тесг.::;: из;.;ерен"Г:. Разработаны другие рекомендации по расширение фуик^конкроЕанкя роботов.

4. Разработанные теоретические методы измерения использованы при создании ряда систем: измерительные системы автоколлиш -шюнного типа АЛС-1, AJIC-2 с лазерным сканированием, лазерный многоточечны:! створофиксатор ЛАСТ с иастотным развертыванием, измерительные системы KCIOC, ИС2, ИСГООР с частотным развертывание: в электрическом диапазоне и др. В результате повышена степень автоматизации измерений при диагностике космических кораблей, прй выполнении инженерно-геодезических наблюдении; а для частотных систем электрического диапазона снижена структурная сложность по сравнению с известными коммутаторными ИС.

5. Предложен ряд оригинальных разработок, защищенных авторскими свидетельствами, которые использованы при создании рассматриваемого класса систем. Исследованы их метрологические и функциональные характеристики.

6. Нэг.сэ/юе важным отдельным результатом работы с точки зрения значительного экономического эффекта для хозяйства является исследование по создашш лазерной системы АИС для автоматизированной диагностики космического корабля. Эффект системы (более 0.5 ;.лн. рубле;" от уменьшения рыскания аппарата в полете относительно заданной траектории, снижения затрат горючего, увеличения грузоподъемности) может быть дополнительно повышен за счет устранения влияния вибрашй и температуры на результаты измерений (обоснование в главе 3).

7. Предложенные в работе основы теории и теоретические положения в перспективе могут быть применены при проектировании измерительных систем и устройств в прикладных задачах космичес -кой техники, геодезии, робототехники, строительства, оптического приборостроения, сельского хозяйства и др. отраслей народного хозяйства.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

1. Аг.ззмин С.Д., Некрасов Л.П. Информационно- измерительные система с частотна.: развертивавдим преобразованием. -М.: Энэрго-атомиздат, 1983. - 88 с.

2. Амрзмин С,Д., Некрасов Л.П., Цапенко М.П, Мультирефлексные системы с частотным развертыванием // Развертывающие системы / Под ред. В.Л.Слоепнского.- М.: Энергоатомиздат, 1976. -С.25-36.

3. Некрасов Л.П. К созданию роботизированных систем в 1ШИГАиК /! Исследования по прикладной геодезии и картографии/ Иод ред. В.И.Ворокшва. - М.: BATO АН.СССР, 1980. - С.51-59.

4. Некрасов Л.П., Куба А.П. Автоколлшлаиионная система для определения углового положения разнесенных отражателей // ОШ. - I9Ú0. - 1Ь 2. - С.36-38.

5. Некрасов Л.П. Узкопольные устройства регистрации света // ОШ. - 1985. - В 4. - С.59-60.

6. Амромин С.Д., Некрасов Л.П. Метод частотного сканирования в автоматизации измерительного процесса // Автометрия. ID74.

- 3. - С.3-9.

7. Некрасов Л.П. Есть ли место робртам в геодезии? // Геодезия и картография. - 1982. Jí 6. - С.36-39.

8. Немировский А.Б.,'Некрасов Л.П. Использование фотоэлектрически тахометров для измерения отношения скоростей вращения двух валов // ОШ. - 1990. - JS 9.

9. Немировский А.Б., Некрасов Л.П. Двухлучевой нптпрфорп -метр в доилеровском измерителе разности скоростей // ОШ. - ID9I.

- К 5.

10. Цапсшсо М.П., Аг.тромин С.Д., Некрасов Л.П. Мультпрефлек-сные системы // Всесоюзная конференция по измерительным информационным системам "ИИС-73": Тезисы докладов. - Ивано-Франковск, 1973. - С.133-136.

11. Амромин С.Д., Некрасов Л.П. Об одном методе многоточечного измерения параметров цепей с использованием частотного сканирования // Современные методы и аппаратура для измерения параметров радиоиепеи: Доклады всесоюзного сшлпозиума 1973 г. - Но -■ восибирск, СНИИМ, 1974. - С. 233-235.

12. Некрасов Л.П., Кудрин В.Н. Автоматизированное сканирующее устройство // Оптические сканирующие устройства и измери -тельные прибора на их основе: Тез. докл. к Всесоюзному совещанию, часть I. - Барнаул, АПИ, 1980. - С.93-94.

13. Некрасов Л.П. Развертывающее преобразование физических величин в частотный сигнал // Там ¡ке, 1984. - С. 53.

14. Некрасов Л.П., Тумилович В.Ю., Черепанов В.Г., Сафпю -лин Н.Б. Установка для снятия диаграммы излучения сканируююл фотоприемником // Там ке, часть П, 1988. - С.33-34.

15. Некрасов Л.П., Тушлоенч В.Ю., Романов В.В. К щкиенению четирохкволратного фотодиода // Том Ее, часть I, 1990. -

С.20-29.

16. Некрасов Л.П. Метод определения координат лазерного пятна // Обработка-изображений и диетанииошше исследования: Материал» региональной конференшш. - Новосибирск, ВЦ СО АН СССР, 1J8I. - С.92.

17. Некрасов Л.П. Разработка роботизированных систем в НИЛГАиК для автоматизации измерений // Астрономические и reo -дезические исследования: Труди УП съезда BATO АН СССР. - М., 1932. - С .85-90.

18. Некрасов Л.П. Автоматизированный лазерный автоколлиматор // Методы и средства обработки оптической информации: Материалы семинара. - М., 1983. - С.41-43.

19. 'Амромин С.Д., Некрасов Л.П., Трушин В.А., Цапенко ГЛ.II. М'/льтирсйлексные информационно-измерительные системы и их ис -пользование в биолопш и медицине'// Электроника, физика и ма -тематика п биологии и медицине: Тез.докл. - Новосибирск: НЭТИ,

1973. - С.17-18.

20. Некрасов Л.П. Частотное преобразование при многоточечном контроле и измерении биологических параметров / Там же. -С.89.

21. Некрасов Л.П., Рогачевский Б.М., Соловьев И.С. Осо -бенности использования микросхем 2СС842 в активных инфранпзкз-чаототтге Фильтрах // Измерительные информационные системы/ Под ред. М.П. Цапенко. - Новосибирск, НГУ, 1978. - C.I66-I7I.

22. Некрасов Л.П. Анализ измерительных цепей резонансного типа для систем с частотным сканированием // Информационно-измерительная техника/ Под ред. М.П.Цапенко. - Новосибирск, НЭТИ,.

1974. - С.92-98.

23. Некрасов Л.П. Частотная измерительная система с преобразованием параметров цепей в эквивалентное значение периода

// Там же. - С. 99-103.

24. Амромин С.Д., Некрасов Л.П., Полубинскии В.Л. Об ис -пользовании нелинейного сканирования и влиянии искажений несущей в частотных мультирефлексных системах // Там же. - С.104 -114.

25. Некрасов Л.П. Об освоении оптического диапазона час -

тотных информационно-измерительных систем // Оптика и слектро-скопил: Межвуз.сб.науч.тр. - Новосибирск. Инкенерн:-страг.тель-ный институт, 1977. - С.77-87,

26. Некрасов Л.П. Юстировка сложно?! стша-элсктронной системы // Прогрессивные методы изготовления и контроля современных оптических и оптико-электронных приборов: Межвуз.сб. -Новосибирск: НИИГАиК, 1982. - С.21-26.

27. Некрасов Л.П. Оптические сенсорные устройства порогового типа // Оптико-электронные системы и приборы / Межвуз.сб.,

- Новосибирск, НИИГАиК, 1980. - С.84-91.

■28. Некрасов Л.П. Об одном методе определения координат лазерного пятна // Оптико-электронные системы и приборы /Меж-вуз. сб. - Новосибирск, НИИГАиК, 1983. - С.125-129.

29. Некрасов Л.П. Оптико-электронные пороговые устройства.

- Новосибирск, 1980. - 17 с. - Деп. в ЦНИИТЭИ приборостроения, 1324.

30. A.c. 1320657 СССР, МКП3 01 Ь 11/00. Створопиксатор / Л.П..Некрасов, А.М.Белкин, М.П.Остроменский (СССР). -2с.: ил.

31. A.c. 1564726 СССР, 1.Ю13 НОЗ М 1/26. Преобразователь перемещения в код / Л.П.Некрасов, В.Г.Черепанов, Б.Н.Чуличлкпн, В.Ю.Тумилович (СССР). - 4 е.: ил.

32. A.c. 1269262 СССР, МКИ3 НОЗМ 1/24. Сотоэлектрический . преобразователь угла поворота зола в код / Л.П.Некрасов, Ю.Н. Салин, Б.Н.Чуличкин, Ю.И.Ямщиков (СССР). - 5 е.: ил.

33. Немировский А.Б., Некрасов Л.П. Устройство для измерения соотношения скоростей вращения двух залов /Решение ВЬ^ЫГПЗ

о выдаче а.с. по заявке JS 4761537 от 23.11.90.

34. A.c. 1455322 СССР, МКИ3 01?3/56. Устройстве для измерения относительной разности скоростей вращения / А.Б.Неми-ровеккй, Л.П.Некрасов (СССР). - 10 е.: гл.

35. A.c. 325602 СССР, МКИ3 05 5/00. Устройство для зашиты высоковольтного стабилизатора напряжения / Л.П.Некрасов, В.Д.Гительсон (СССР). - 2 е.: ил.

Автор выражает глубокую признательность л благодарность за помощь в работе соавторам публикаций, к;.1лега:л НИИГАиК, H3TII, предприятий; прежде всего, своему учите.з М.П.Цапе.чко и С.Д. Амромину, с,.котарыми обсуждалась перспектива создания направления рассмотренного класса ИС.