автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.01, диссертация на тему:Разработка и исследование методов и средств измерения на основе позиционно-чувствительных фотоприёмников

На правах рукописи

Абакшина Ольга Александровна

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ НА ОСНОВЕ ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ФОТОПРИЁМНИКОВ

Специальность 05.11.01-Приборы и методы измерения (механические величины)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2014

005558136

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

Научный руководитель: кандидат технических наук,

старший научный сотрудник Митрофанов Сергей Сергеевич

Официальные оппоненты: Кузьмин Владимир Николаевич

доктор технических наук, профессор ООО «Научно-техническое предприятие «ТКА», заместитель генерального директора по оптике и фотометрии

Фролов Дмитрий Николаевич

кандидат технических наук ООО «Техническая оптика», технический директор

Ведушая организация: ОАО «СКБ ИС»

Защита состоится 25 декабря 2014 г. в II00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.227.04 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49, ауд. 206.

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

Автореферат разослан «_»_ 2014 года.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д 212.227.04 кандидат технических наук, доцент

Киселёв С.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Настоящая работа посвящена исследованию и разработке средств измерения линейных и угловых величин, которые строятся на основе позиционно-чувствителъных фотоприёмников.

Актуальность темы определяется тем, что в различных областях промышленности, а также науки и техники необходимо контролировать геометрические параметры различных элементов (деталей, сборочных единиц и конструкций), а также величину линейных и угловых перемещений, при этом основной парк измерительных приборов состоит из приборов для измерения линейных и угловых величин. Поэтому необходимы достаточно простые быстродействующие, надёжные и недорогие приборы, обеспечивающие решение поставленных задач.

Большая часть технических средств, используемых для линейных и угловых измерений, построена на основе линейных шкал или оптических растров. Однако этим устройствам присущи такие недостатки, как относительная сложность конструкции, иногда низкое быстродействие и производительность.

Российская фирма «Оптротех» изготавливает углоизмерительные устройства, в которых в качестве фотоприёмников используются имеющие уникальные характеристики по чувствительности и точности ПЗС-матрицы (такие характеристики достигаются в основном за счет программной обработки изображения марки на ПЗС-фотоприёмнике).

Ввиду выше изложенного в настоящей работе предложен подход к построению измерительных устройств на основе позиционно-чувствительного фотоприёмника, в этом случае можно получить простые, унифицированные и достаточно быстродействующие устройства, обладающие в ряде случаев расширенным диапазоном измерения.

Целью работы является исследование существующих и разработка новых средств измерения линейных и угловых размеров на основе позиционно-чувствительного фотоприёмника, обеспечивающих повышение качества оперативного контроля размеров в производственных условиях.

Для достижения поставленной цели в диссертации были сформулированы и решены следующие задачи:

1) разработка функциональных схем устройств измерения линейных и угловых величин на основе позиционно-чувствительного фотоприёмника;

2) определение нормированных метрологических характеристик для оценки точности устройств и установления их принадлежности к тому или иному классу точности;

3) разработка методики оценки погрешности таких устройств;

4) определение погрешностей, оказывающих наибольшее влияние, и оценка возможности их компенсации;

5) экспериментальное исследование макетов устройств с позиционно-

чувствительным приёмником.

Для решения поставленных задач необходимо проанализировать особенности различных позинионно-чувствительных фотоприёмников, а также разработать критерии оценки точностных характеристик создаваемых устройств.

Научная новизна работы

Построены функциональные схемы средств измерения линейных и угловых величин с применением позиционно-чувствительного фотоприёмника, позволяющие создавать измерительные устройства с улучшенными показателями качества. Определены метрологические характеристики этих устройств с целью оценки точности. Также предложена методика оценки влияния погрешностей разработанных устройств. Проведены исследования точностных характеристик макетов, созданных на основе предложенных схем.

Практическая значимость работы

Предложенные функциональные схемы устройств измерения линейных и угловых величин на основе позиционно-чувствительного фотоприёмника позволяют упростить конструкцию приборов, повысить их быстродействие, увеличить диапазон измерений, а также упростить обработку выходных данных. Разработанные устройства предназначены для использования в цеховых условиях производства при оперативном контроле размеров.

Результаты диссертационной работы реализованы в макетах цифрового индикатора, сферометра, автоколлиматора, которые используются в лабораторном практикуме по дисциплинам «Оптические и оптико-электронные системы и приборы», «Информационно-измерительные преобразователи», «Оптико-электронные преобразователи движения и электротехнические устройства ОЭП».

Основные результаты исследований, проведённых в рамках диссертационной работы, получены, в том числе, при выполнении грантов 2010, 2013 и 2014 гг. для студентов и аспирантов вузов, отраслевых и академических институтов, расположенных иа территории Санкт-Петербурга.

Объект и предмет исследования

Объектом исследования являются устройства для измерения линейных и угловых величин на основе позиционно-чувствительных фотоприёмников; в качестве предмета исследования выступают особенности построения этих устройств и их точностные характеристики.

Основные методы научных исследований

Теоретической и методологической основой выполненного научного исследования являются положения технических, физико-математических наук и метрологии, результаты исследований специалистов в области измерительной техники и методов измерения.

Расчёт и обработка экспериментальных данных выполнялись с использованием пакетов программ Microsoft Excel, Advanced Grapher, программ, написанных на языке программирования Basic.

Основные положения, выносимые на защиту

1) функциональные схемы устройств измерения линейных и угловых перемещений на основе позиционно-чувствительного фотоприёмника;

2) совокупность метрологических характеристик, выбранных для оценки точности устройств на основе позиционно-чувствительных фотоприёмников;

3) методика оценки анализа точности устройств с позиционно-чувствительными фотоприёмниками;

4) результаты экспериментального исследования макетов устройств на основе позиционно-чувствительного фотоприёмника.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью постановки задач, обоснованным применением законов и уравнений теории измерений и экспериментальными данными. Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы были представлены автором на следующих научных конференциях:

- XXXVIII Неделя науки СПб ГПУ (2009 г.);

- II и III Всероссийский конгресс молодых ученых (2013-2014 гг.);

- ХЫ1 и Х1ЛИ научная и учебно-методическая конференция НИУ ИТМО. Конференция профессорско-преподавательского состава (2013-2014 гг.);

- IX международная научно-практическая конференция «Восточное партнерство-2013» (Рггетув1,2013 г.).

Работа отмечена на конкурсах грантов для студентов и аспирантов вузов, отраслевых и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга (2010,2013 и 2014 гг.). Публикации

Соискатель имеет 7 опубликованных работ; из них по теме диссертации опубликовано 7, включая 2 статьи, которые опубликованы в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, в том числе 1 работа опубликована в материалах международной конференции в Польше. Структура диссертации

Структура диссертации соответствует выбранной методике исследования и включает в себя введение, четыре главы, заключение (123 страницы, 43 рисунка, 8 таблиц), списка литературы (85 наименований) и приложений.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обосновывается актуальность выбранной темы, сформулированы цель работы, её научная новизна и практическая значимость, а также приведены сведения об апробации и основных положениях, выносимых на защиту.

В первой главе представлен краткий обзор основных типов фотоприёмников, предназначенных для построения средств измерения линейных и угловых размеров, проанализированы принципы их работы,

основные достоинства и недостатки применительно к решаемой в диссертации задаче. •

Рассмотрены характеристики - быстродействие, нелинейность, дискретность и простота обработки сигнала - перспективных позиционно-чувствительных фотоприёмников, которые могут использоваться для построения унифицированных измерительных функциональных устройств, обладающих простой конструкцией, расширенным рабочим диапазоном, повышенным быстродействием.

В результате анализа установлено, что наилучшими характеристиками для решения построения средств измерения линейных и угловых величин обладает фотоприёмник мультискан.

Также в главе проанализированы устройства измерения линейных и угловых величин, построенные на оптических растровых и растрово-кодовых шкалах, определены возможности, способы упрощения конструкции устройств; выполнена постановка задачи и выбран объект исследования.

Во второй главе предложены функциональные схемы устройств для измерения линейных и угловых величин на основе выбранного позиционно-чувствительного фотоприёмника, указаны их основные особенности, в частности, погрешности, влияющие на точность измерений.

Предложена схема цифрового индикатора на базе позиционно-чувствительного фотоприёмника мультискан (рис. 1), которая позволяет упростить конструкцию и повысить быстродействие индикатора, не снижая точности функционирования.

Рисунок 1. Функциональная схема цифрового индикатора на основе позиционно-чувствительного фотоприёмника мультискан

В состав цифрового индикатора входят измерительный шток 1, источник оптического излучения - полупроводниковый излучающий диод (ПИД) 2, фотоприёмник мультискан 3, электронный блок 4, цифровой дисплей 5. При перемещении измерительного штока происходит смещение центра светового

1

пятна, создаваемого ПИД, на фоточувствительной площадке мультискана, с которого снимается аналоговый электрический сигнал и.

Искомое перемещение штока у и величина электрического сигнала связаны выражением:

где ¿о - длина фоточувствительной площадки мультискана, С10 - опорное напряжение, подаваемое на мультискан, II—измеряемое напряжение.

Схема индикатора построена с соблюдением принципа Аббе, обеспечивающего снижение влияния погрешности взаимного расположения линии перемещения измерительного штока и линии измерения перемещения светового пятна по фоточувствительной поверхности мультискана. Для оценки допустимой величины указанных остаточных отклонений проведены расчёты зависимости смещения светового пятна У2 от величины непараллельности Х2 и несоосности Х\ (рис. 2) перемещения штока с полупроводниковым излучающим диодом относительно фоточувствителыюй площадки мультискана.

0,008

г

г 0,007

— 0,006 та

х

« 0,005

0

| 0,004 £

£ о,ооз

и

01

I 0,002

О) ?

I 0,001

ж

-У2(Х1=0 мм)

- • У2(Х1=0,5 мм)

---У2(Х1=1,0 мм)

-----У2(Х1=1,5 мм)

.......У2(Х1=2,0 мм)

----У2(Х1=2,5 мм)

Величина непараллельности (Х2), мм

Рисунок 2. Зависимость смещения светового пятна на краю диапазона измерения СприХ1 = 0-2,5мм, Х2=0-0,05мм)

График показывает, что смещение светового пятна при заданных требованиях несоосности и непараллельности составляет очень малую величину и практически не оказывает влияния на точность измерений.

На основе цифрового индикатора (см. рис. 1) можно создать компактный накладной сферометр, функциональная схема которого представлена на рис. 3.

Предлагаемый накладной сферометр на основе позиционно-чувствительного фотоприёмника мультискан позволит существенно упростить конструкцию, уменьшить стоимость прибора, увеличит его быстродействие.

Рисунок 3. Функциональная схема сферометра

Сферометр состоит из измерительного штока 1, источника оптического излучения 2, позиционно-чувствительного фотоприёмника мультискан 3, источника опорного напряжения 4, цифрового дисплея 5, на который выводятся результаты измерений. В процессе измерения деталь 6 устанавливается на сферическую опору 7.

Радиус сферы Я детали на таком сферометре определяется путем измерения стрелки у прогиба поверхности измерительным штоком с последующим вычислением микропроцессором значения радиуса по формуле:

8у 2

(2)

где £> - диаметр опорного кольца; г - радиус сферической опоры-шара (для вогнутой поверхности берется знак плюс, для выпуклой - минус).

Представленная схема сферометра (см. рис. 3) также построена с соблюдением принципа Аббе.

Зависимость погрешности измерения от несоосности перемещения штока и линии измерения для выпуклой линзы и разных радиусов г сферического наконечника измерительного штока (рис. 4) по результатам расчетов составляет очень малую величину.

0,010

0,009

£ 0,008

0,007

< 0,006

Б 0,005

X 0,004

щ о. 0,003

О 0,002

0,001

0,000

Г=1 мм г=2 мм ' г=2,5 мм

N N N N N ^ Т4* ГМ Г^

Г^ Г^ Г*

ЮЮГ--Г^СОООСТ10100тН.-Г

Радиус (К) контролируемой линзы, ллм

Рисунок 4. Зависимость погрешности измерения от несоосности Х=0,01 мм (0=10 мм)

Рассмотренные в этой главе погрешности, вызванные несоосностью и непараллельносью установки мультискана, в предложенных схемах очень малы и подтверждают правильность компоновки элементов в предложенных схемах приборов.

Рассмотрим возможность использования позиционно-чувствительного фотоприёмника в устройстве, в котором линейные перемещения светового пятна позволяют измерить угловые перемещения. Таким устройством является предложенный на рис. 5 фотоэлектрический автоколлиматор.

Рисунок 5. Функциональная схема фотоэлектрического автоколтшатора

Пучок оптического излучения, выходящий из осветителя 2 с маркой 3, попадает в объектив 1, отражаясь от контролируемой (измеряемой) поверхности, возвращается обратно и падает на фоточувствительную площадку мультискана 4. Выходное напряжение мультискана обрабатывается электронным блоком 5.

Аналоговый сигнал (напряжение Ц), снимаемый с фотоприёмника, связан с перемещением у изображения, опорным напряжением С/0 и длиной фоточувствительной площадки фотоприёмника выражением (1), а измеряемый автоколлиматором угол <р вычисляется из следующего выражения:

где /'- фокусное расстояние объектива.

Требуемые технические характеристики фотоэлектрического автоколлиматора достаточно просто достигаются на практике: подбором длины фоточувствительной площадки и фокусного расстояния объектива.

В третьей главе рассмотрены и подобраны метрологические характеристики для разработанных устройств. Предложена методика исследования точности рассматриваемых приборов. А также метод оценки влияния погрешностей, разработанных устройств.

В качестве нормируемых метрологических характеристик целесообразно выбрать:

1) номинальную функцию преобразования;

2) пределы допускаемой систематической составляющей основной погрешности;

3) математическое ожидание и среднеквадратическое отклонение

систематической составляющей основной погрешности;

4) предел допускаемого среднего квадратического отклонения случайной

составляющей основной погрешности.

Эти характеристики достаточно полно и однозначно определяют разрабатываемые устройства как средства измерения и легко могут быть поверены.

Знание состава (вида модели) погрешности и численных значений ее составляющих позволяет решить ряд научно-практических задач. Во-первых, по наличию систематической составляющей погрешности и условиям её возникновения возможно успешное решение вопроса её компенсации. Во-вторых, по особенностям проявления и численным характеристикам случайной составляющей погрешности можно судить как о качестве отдельного измерительного устройства, так и устойчивости технологического процесса их изготовления.

Экспериментальные исследования, как правило, дают лишь численные значения суммарной погрешности, поэтому требуются математические средства последующей обработки с целью определения её составляющих.

Разделение экспериментально полученной суммарной погрешности на систематическую и случайную составляющие в общем виде не представляется возможным, поэтому в каждом конкретном случае задача разделения решается с учетом особенностей исследуемого объекта и априорных сведений о составе первичной погрешности.

Предварительный анализ структурного состава возможен на основе построения автокорреляционной функции, по виду которой можно судить о составе суммарной погрешности Ду^.

Разработка более точных методов разделения суммарной погрешности опирается на использование метода тригонометрической многочленной аппроксимации.

Слагаемые тригонометрического многочлена (гармоники) определяются при помощи гармонического анализа. Имеющиеся компьютерные программы гармонического анализа предназначены для анализа суммарной погрешности Допределенной в диапазоне [0; 2л], в котором эта погрешность может быть либо представлена числом 2' (/' - целое число) точек, либо составлять нечетное число.

Примем, что функция /(Ду^г), заданная чётным числом точек Ду^, равным п=2(2т+2), удовлетворяет условиям Дирихле. Тогда можно записать тригонометрический многочлен вида:

Г(АУх<) = Ао + ЕЕ.1(Л„ совпх + Вп эттис), (4)

где п= 1, 2, ..., 2т, т - некоторое четное число; А0, Ап, Вп, - коэффициенты, причем /'(Ду^-) наилучшим образом аппроксимирует функцию /(Ду2).

Таким образом, если проанализировать выражения, полученные для всех исследованных устройств, можно найти систематическую составляющую в виде суммы гармоник, т.е.

ДуС( =А0+ sin (тс + xpn), (5)

где л=1, 2, ..., - номера гармоник, наиболее часто встречающихся у исследованных устройств, построенных на основе фотоприёмника мультискан.

Для повышения достоверности определения систематической составляющей Ayci погрешности предлагается использовать метод вектора периодограммы (периодограммный анализ), который относится к косвенным методам. Такая методика позволяет с большей точностью определять параметры гармоник Дyci в случае их сильной зашумленности Ayvj и в случае, когда источники гармоник в выражении (5) имеют несинусоидальный характер изменения, например, треугольный.

С использованием простого алгоритмического языка (Basic) написаны компьютерные программы, позволяющие производить гармонический и периодограммный анализ экспериментальных данных на любом компьютере, где установлено данное программное обеспечение.

Совокупное использование программ гармонического и периодограммного анализа позволят оперативно решать задачу разделения на составляющие суммарной погрешности, полученную экспериментальным путем, а также проверять адекватность теоретической и экспериментальной модели суммарной погрешности.

Перейдём к рассмотрению случайной составляющей Дyvi, которая определяется выражением:

Дyvi = Дук - Д yci = А ух -[A0 + Z*Ak sin (пх + х/>„)]. (6)

Как следует из анализа причин возникновения суммарной погрешности Дугг в приборах с позиционно-чувствительными фотоприёмниками, имеются все основания считать Ayvi реализацией стационарной случайной функции

Д И, (О-

Для оценки стационарной случайной функции Ayv(t) с точностью, приемлемой для практических целей, необходимо знать для неё три основные числовые характеристики:

1) автокорреляционную функцию р(т):

2) математическое ожидание M„(t);

3) дисперсию D„(t).

В ряде случаев в целях более полного описания случайной составляющей погрешности производится определение законов её распределения в интересующих сечениях случайной функции. Из результатов исследований и анализа первичных погрешностей устройств с мультисканом вытекает, что возможно распределение плотности вероятности ДyVi по одному то следующих законов: нормальному, равновероятному и композиции нормального и равновероятного. Поэтому для исследования Дyvi разработана компьютерная программа корреляционного анализа, позволяющая определять числовые характеристики случайной функции и программы для аппроксимации Ayvi указанными законами распределения. Разработанные компьютерные программы статистического анализа реализованы на языке Basic и входят, совместно с программами гармонического и периодограммного анализа, в

пакет программ математического обеспечения исследования точности приборов с мультисканом.

Разработанная методика исследования точности включает следующие этапы:

1) анализ структурного состава суммарной погрешности, который выполняет программа корреляционного анализа;

2) выделение систематической составляющей с помощью программы гармонического анализа с последующей проверкой достоверности и адекватности результатов программой периодограммного анализа;

3) определение случайной составляющей и проверка компьютерной программой корреляционного анализа остаточных систематических составляющих; нахождение законов распределения в интересующих сечениях функции случайной составляющей и вычисление их численных характеристик.

Согласно линейной теории точности, с учетом случайного характера ряда первичных погрешностей можно представить Ду^ суммарную погрешность в следующем виде:

ДУХ = ДУс£ + =_

I+ + р-'А^К^+^А^бд!, (7)

где ДуС£ - систематическая составляющая суммарной погрешности устройства, вызванная действием неслучайных первичных погрешностей и факторов, а также систематическими составляющими случайных погрешностей; 8у^ -случайная составляющая суммарной погрешности устройства, определяемая действием случайных погрешностей и факторов; пс - число систематических погрешностей; щ, п2 - число случайных погрешностей соответственно с систематической составляющей и без неё.

В общем случае передаточная функция Ад! первичной погрешности может содержать неслучайную (систематическую) Аы и случайную Ат составляющие, тогда, учитывая правила композиции таких величин, получим:

(8)

а неслучайная величина частичной погрешности определится выражением:

ДУдЧ( = Ас1М(Ан)Дд = АыМ(А^)Сч15Ч = Ас1Ср18Ч , (9)

где М(у4и) - математическое ожидание случайной составляющей передаточной функции первичной погрешности ; Сц1 - коэффициент, учитывающий расположение поля допуска; Ср£ = ^í(Лг,¡)C(;¡ - коэффициент, учитывающий систематическую составляющую частичной погрешности.

При разработке данной методики необходимо учитывать влияние векторных погрешностей, математическое ожидание случайной составляющей передаточной функции, которое находиться следующим выражением:

(10)

где <2 - направление вектора погрешности, изменяющееся в пределах от 0° до 2л.

Отклонение действительного закона рассеяния частичной погрешности от закона Гаусса будет учитываться коэффициентом Кр„ который можно вычислить по формуле:

Кч1 = + дф + М2{Ау.)К2, > (П)

здесь - среднее квадратическое отклонение случайной составляющей

передаточной функции первичной погрешности.

Для численного нахождения существует несколько методов. При расчете целесообразно воспользоваться вероятностным методом, который позволяет получить более правильный (по сравнению с методами «тах-гшп», квадратического суммирования и Ренча) результат, так как он основан на правилах суммирования случайных величин и учитывает наличие систематических составляющих случайных погрешностей и вид закона рассеяния последних.

Эта методика позволяет на стадии проектного расчета показать целесообразность выбранной схемы и конструкции прибора.

Проведенный анализ проектных процедур расчета и анализа точности позволяет получить достаточно полную картину влияния первичных погрешностей и определить величину суммарной погрешности.

Зная эти величины, можно сделать выводы о необходимости наличия компенсаторов в конструкции приборов или алгоритмической коррекции погрешностей, наиболее сильно влияющих на точность прибора.

В четвёртой главе приведены результаты исследования разработанных по предложенным схемам макетов устройств для измерения линейных и угловых величин.

На основе функциональной схемы индикатора линейных перемещений, представленной выше, был разработан макет цифрового индикатора для исследования его точностных характеристик (рис. 6, а - внешний вид; б - вид без кожуха; / - измерительный шток; 2 - основание; 3 - фотоприёмник мультискан; 4 - полупроводниковый излучающий диод).

Целью исследования была проверка точностных характеристик макета цифрового индикатора с фотоприёмником мультискан. По результатам исследований получена величина основой погрешности, которая составила не более 0,006 мм. Погрешность собранного макета индикатора не превышает погрешности, установленной для индикатора часового типа ИЧ-10 «0» класса (0,015 мм).

С целью исследования возможности использования индикатора линейных перемещений для создания сферометра собран и его макет (рис. 7; 1,5 — измеряемая деталь; 2 - опорное кольцо; 3 - индикатор линейных перемещений; 4 - ножки-опоры; б - сменное опорное кольцо; 7 - опора-шар, 8 -персональный компьютер с программой для обработки результатов) на основе цифрового индикатора с мультисканом.

Рисунок 7. Общий вид макета сферометра

Особенностями такого сферометра являются малые габариты, высокое быстродействие и возможность его использования в качестве накладного портативного устройства. Это позволяет расширить сферу применения прибора.

Относительная погрешность Дотн макета сферометра при контроле выпуклой и вогнутой образцовых линз была рассчитана по формуле:

Дотн= ■ 100% , (12)

«д

где Яшм - измеренное значение радиуса кривизны образцовой линзы; Дл -действительное значение радиуса кривизны образцовой линзы.

Полученная погрешность составила 0,003 и 0,001% для выпуклой и вогнутой образцовых линз соответственно. Эта величина не превышает относительную погрешность сферометра ИЗС-7 (± 0,005 %).

На основе схемы, предложенной в главе 2, был создан макет фотоэлектрического автоколлиматора (рис. 8), диапазон измерения которого составляет 2°.

Рисунок 8. Внешний end макета фотоэлектрического автоколлиматора

Для проверки характеристик макета собран стенд (рис. 9), состоящий из фотоэлектрического автоколлиматора 1, зеркала 2, закреплённого на теодолите 3, которые, в свою очередь, установлены на монтажной плите б, осциллографа 5 и регистрирующего сигнал с автоколлиматора прецизионного вольтметра 4. Для проверки точностных характеристик автоколлиматора в качестве эталонного средства измерения использовался теодолит с установленным на нем зеркалом.

5 4 12 3 6

Рисунок 9. Стенд для исследования характеристик макета фотоэлектрического

автоколлиматора

Проверялся полный диапазон измерений автоколлиматора с мультисканом (0- 2° с шагом 2'), каждое измерение повторялось несколько раз для повышения достоверности результатов. Исследования заключались в задании при помощи теодолита эталонного угла поворота зеркала и измерении его автоколлиматором, выходной сигнал которого измерялся прецизионным вольтметром.

Номинальная функция преобразования исследованного макета фотоэлектрического автоколлиматора по усреднённым результатам измерений представлена на рис. 10.

12,00

0,00

3 'Ь 1?- 4 Ф # 4 > о^ „^ о/ оФ

> V V V V V V Угол поворота, град. мин.

Рисунок 10. Номинальная функция преобразования макета фотоэлектрического

автоколлиматора

10,00

-Линейная

(Уср)

Из графика видно, что в диапазоне 0-2° номинальная функция преобразования фотоэлектрического автоколлиматора практически линейная.

По результатам описанных исследований полученные данные зависимости напряжения от угла поворота зеркала были обработаны при помощи пакета компьютерных программ для выявления систематической составляющей погрешности фотоэлектрического автоколлиматора с фотоприёмником мультисканом.

На основе этих исследований была выявлена систематическая погрешность, которая была аппроксимирована выражением:

АУс1 = 0,97 бшО - 2,659) + 1,25 Бт(2х - 2,659) + 0,99Бт(6х - 3,857) +

1,04зт(7х + 4,49), (13)

где амплитуда гармоник измеряется в милливольтах, фаза - в радианах.

При пересчете в меру угла полная вероятная величина систематической погрешности составила 1,1", это составляет малую часть от диапазона измерений автоколлиматором. Можно предположить, что эта погрешность возникает из-за нелинейности мультискана, а также технологических допусков при изготовлении деталей и сборки макета фотоэлектрического автоколлиматора. При этом полная вероятная погрешность составила 6,5", что соответствует относительной погрешности в 0,1% .

Заключение

В ходе проведённой работы были решены следующие задачи.

1. Проанализирована возможность использования позиционно-чувствительных фотоприёмников для создания средств измерения линейных и угловых величин, в качестве оптимального по требуемым характеристикам выбран отечественный позиционно-чувствительный фотоприёмник мультискан.

2. Проанализирована возможность построения устройств измерения линейных и угловых величин.

3. Предложены функциональные схемы таких устройств.

4. Обоснованы основные метрологические характеристики измерительных устройств на основе позиционно-чувствительного фотоприёмника.

5. Разработана методика исследования точности устройств измерения линейных и угловых величин.

6. Определены наиболее сильно влияющие на точность устройств погрешности.

7. Проведены экспериментальные исследования разработанных макетов устройств для измерения линейных и угловых величин.

Список опубликованных работ по теме диссертации Статьи в журналах, рекомендованных ВАК:

1. Абакшина O.A., Егоров Г.В., Латыев С.М., Митрофанов С.С. Модернизация конструкций фотоэлектрических индикаторов линейных перемещений // Изв. вузов. Приборостроение. 2011. Т. 54, № 11. С. 65-69. - 0,25 п.л./0,063 п.л.

2. Абакшина O.A., Егоров Г.В., Латыев С.М., Митрофанов С.С. Фотоэлектрические приборы и устройства, основанные на гюзиционно-чувствительных приемниках // Изв. вузов. Приборостроение. 2012. Т. 55, №4. С. 88-97. - 0,56 п.лУО,13 п.л.

Публикации в других изданиях:

3. Абакшина O.A. Модернизация фотоэлектрического индикатора // XXXVIII Неделя науки СПб ГПУ. Матер, междунар. науч.- практ. конф. СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2009. Ч. 9. С. 156-158. - 0,125 п.л./0,125 п.л.

4. Абакшина O.A. Модернизация фотоэлектрического индикатора // 15-я Санкт-Петербургская ассамблея молодых учёных и специалистов. Аннотации работ победителей конкурса грантов Санкт-Петербурга 2010 г. для студентов, аспирантов, молодых учёных и молодых кандидатов наук. СПб.: ООО «КРОМ», 2010. С. 193. - 0,063 п.лУ0,063 п.л.

5. Абакшина O.A. Разработка методов и средств измерения на основе псзиционно-чувствительных фотоприёмников // 18-я Санкт-Петербургская ассамблея молодых учёных и специалистов. Аннотации работ победителей

конкурса грантов Санкт-Петербурга 2013 г. для студентов, аспирантов, молодых учёных и молодых кандидатов наук. СПб.: ООО «КРОМ», 2013. С. 115-116. - 0,063 п.л./0,063 п.л.

6. Абакишна O.A., Митрофанов С.С. Фотоэлектрический автоколлиматор на базе приемника мультискан // Матер. IX Междунар. науч.-практ. конф. «Восточное партнерство - 2013». Przemysl, Nauka i studia, 2013. Vol. 35. P. 55-59.-0,25 п.л./0,13 п.л.

7. Абакишна O.A. Автоматизированный метод выявления скрытых периодичностей в погрешности измерительных приборов // Сб. тезисов докладов конгресса молодых ученых. Вып. 2. СПб.: Университет ИТМО, 2014. С. 3-4.-0,063 п.л./0,063 п.л.

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении «Университетские телекоммуникации» 197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул., 14 Тел. (812) 233 46 69. Объем 1,0 у.п.л. Тираж 100 экз.