Син сянмин исследование и разработка трехкоординатных оптико-электронных автоколлиматоров
На правах рукописи
УДК 621.383, 536.8 СИН Сянмин ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТРЕХКООРДИНАТНЫХ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ АВТОКОЛЛИМАТОРОВ Специальность: 05.11.07 – Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Санкт – Петербург 2007 PDF создан испытательной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com -2
Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном универ ситете информационных технологий, механики и оптики
Научный консультант:
доктор технических наук, профессор И.А. Коняхин Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор Л.Н. Андреев кандидат технических наук, доцент В.В. Ефимов Ведущее предприятие: ГОИ им. С.И. Вавилова
Защита диссертации состоится «13» ноября 2007 г. в 15 ч 50 мин. на заседании специализированного совета Д 212.227.01 при Санкт Петербургском Государственном университете информационных техноло гий, механики и оптики по адресу: 190031 г. Санкт-Петербург, переулок Гривцова, 14.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.
Автореферат разослан «18» октября 2007 г.
Ваши отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах) просим высылать по адресу: 197101, СПб, Кронверкский пр., 49, СПб ГУ ИТМО
Ученый секретарь специализированного совета Д 212.227.01 Красавцев В.М.
PDF создан испытательной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com -3 I
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. Одной из важных задач измерительной техники явля ется измерение угловых величин, в частности, определение угловой ориен тации объектов. В наиболее общем случае необходима пространственная угловая ориентация, для которой требуется измерение углов поворота от носительно трёх ортогональных осей, одна из которых совпадает с линией визирования объекта (ось скручивания), а две другие ей перпендикулярны (коллимационные оси). Углы поворота относительно указанных осей, соот ветственно, угол скручивания и коллимационные углы.
В качестве конкретных примеров решения этой задачи могут быть названы следующие.
1. Измерение угловых перемещений частей и блоков крупногабарит ных сооружений с целью контроля точности их сопряжения и реализация неизменности взаимного расположения. Такие измерения типичны при монтаже и мониторинге функционирования энергетических, промышлен ных объектов, научно-исследовательских установок. Например, для обес печения функционирования создаваемого Россией уникального радиотеле скопа миллиметрового диапазона РТ-70 необходима компенсация трехмер ных деформаций поверхности 70-метрового главного зеркала, пространст венная подстройка ориентации контррефлектора, учет скручивания сигары отражающей системы и пилонов опорно-поворотного устройства.
2. Контроль в реальном масштабе времени деформаций и прогибов нагруженных элементов промышленных и транспортных сооружений: неф те- и газопроводов, фундаментов реакторов, плотин, мостов, причальных стенок и доков с целью анализа их состояния и повышения безопасности функционирования.
3. Определение углового положения движущегося объекта при при чаливании или стыковке, элемента конструкции при сборке, рабочего ор гана робота.
PDF создан испытательной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com -4 4. Измерение угловых деформаций при экспериментах по изучения свойств и контроля состояния моделей новых конструкций или образцов материалов.
При соответствующих высокоточных измерениях погрешность со ставляет величину от единиц угловых секунд до единиц десятков угловых секунд (10-5…10-4 рад) при диапазоне измерения от нескольких угловых минут до единиц угловых градусов (порядка 10-2 … 3·10-1 рад);
дистанция до контролируемого объекта от десятков сантиметров до десятков метров.
Для решении указанных задач эффективны трёхкоординатные опти ко-электронные углоизмерительные системы, при этом предпочтительно использование угломеров автоколлимационного типа с размещением на объекте отражающего контрольного элемента, не требующего электропи тания и эксплуатационного обслуживания.
Однако, в настоящее время разработаны и выпускаются одно- и двух координатные автоколлиматоры. Известны реализации трехкоординатных угломеров в виде экспериментальных образцов, которые представляют со бой комплекс из двухкоординатного автоколлиматора и отдельного канала для измерения угла скручивания. Анализ отраженных пучков при измере нии коллимационных углов и угла скручивания выполняется раздельно в отдельных измерительных каналах, что значительно усложняет схему уг ломера и приводит к значительным погрешностям измерения из-за рассо гласования осей оптических систем измерительных каналов и отсчетных баз фотоприемных матриц при обработке изображений.
Более эффективным является построение трехкоординатной углоиз мерительной системы на основе автоколлиматора с единым полем анализа.
При этом специальные алгоритмы трехкоординатных измерений, соотно шения между параметрами элементов автоколлиматора при общем анализе изображений, соответствующих различным отраженным пучкам в настоя щее время практически не исследованы.
PDF создан испытательной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com -5 Таким образом, разработка новых схем трёхкоординатных оптико электронных автоколлиматоров (ТОЭА), в частности, с единым полем ана лиза, совершенствование методов расчета параметров их компонентов, в особенности, отражающих контрольных элементов (КЭ), исследование их метрологических свойств являются актуальными задачами измерительной техники.
Целью диссертационной работы является разработка принципов по строения трёхкоординатных оптико-электронных автоколлиматоров (ТОЭА) с единым полем анализа, разработка и исследование специальных алгоритмов трехкоординатных автоколлимационных измерений, совер шенствование методов расчета параметров элементов оптической схемы.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
1. Сформулировать основные требования к ТОЭА;
2. Исследовать действие зеркально-призменных систем различных ти пов, используемых в качестве отражающих контрольных элементов ТОЭА;
3. Проанализировать варианты построения оптических схем ТОЭА, провести их сравнение и оптимизацию параметров;
4. Рассмотреть габаритно-энергетические соотношения и методики рас чёта параметров элементов оптических схем ТОЭА;
5. Реализовать и исследовать программные алгоритмические модели процесса определения угловых координат по измеренным координатам изображений в плоскости анализа;
проанализировать влияние отклонений параметров оптических элементов на величину погрешности измерения;
6. Выполнить экспериментальные исследования алгоритмов трехкоор динатных измерений на компьютерных моделях и макете автоколлиматора.
Методы исследования. При теоретическом анализе зеркально призменных систем и исследовании свойств КЭ используются соотноше ния геометрической оптики, векторно–матричные методы расчёта, а также разработанные на их основе методики.
PDF создан испытательной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com -6 В экспериментальной области при исследовании соотношений между параметрами измерительной системы, анализе алгоритмов трехкоординат ных измерений используются детерминированные, имитационные компью терные и физические модели функциональных элементов автоколлиматора.
Модели реализованы на основе компьютерной технологии MathCAD и ис следуются методом статистических испытаний. Также реализуется практи ческая проверка полученных соотношений посредством эксперименталь ного исследования физической модели - макета ТОЭА.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту.
1. Принципы построения отражающего контрольного элемента (КЭ) трехкоординатного оптико-электронного автоколлиматора, обеспечиваю щего:
– уменьшение погрешности измерения взаимного влияния поворотов КЭ на коллимационные углы и угол скручивания;
– возможность изменения величины коэффициента передачи между уг лом поворота КЭ и углом отклонения орта отражённого пучка по всем трём измеряемым углам, что позволяет уменьшить погрешность измерения вследствие виньетирования;
– радикальное упрощение оптической схемы по сравнению с известны ми аналогами вследствие анализа отраженных пучков, определяющих кол лимационные углы и угол скручивания в едином измерительном канале на основе объектива и матричного анализатора.
В соответствии с найденными принципами построения, для парал лельного пучка лучей КЭ должен быть эквивалентен двум зеркальным сис темам с тремя отражениями для каждой, причем для одной системы основ ное неизменное направление параллельно коллимационной оси, а для вто рой основное неизменное направление расположено в плоскости, содер жащей первое направление и ось скручивания и при этом составляет с осью скручивания угол найденной величины.
PDF создан испытательной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com -7 2. Оптимальный способ задания матрицы преобразования координат при измерении параметров пространственной угловой ориентации объекта с помощью трёхкоординатного оптико-электронного автоколлиматора, оп ределяющий уменьшение погрешности измерения вследствие взаимного влияния поворотов КЭ на коллимационные углы и угол скручивания.
По защищаемому способу, при определении матрицы поворотов Эй лера-Крылова:
– первый угол задается как поворот относительно координатной оси, ортогональной плоскости расположения основных неизменных направле ний двух эквивалентных систем КЭ;
– второй угол задается как поворот относительно координатной оси, параллельной основному неизменному направлению первой эквивалентной системы КЭ;
– третий угол задается как поворот относительно координатной оси, с которой основное неизменное направление второй эквивалентной систе мы КЭ составляет угол найденной величины.
3. Доказано, что требуемыми свойствами обладает КЭ в виде уголко вого отражателя (стеклянного тетраэдра или зеркального триэдра), углы между отражающими гранями которого имеют малые отклонения от 90°, причем величины отклонений связаны найденным соотношением.
4. Измерение трех угловых координат автоколлиматором с единым полем анализа обеспечивает разработанный алгоритм, в соответствии с ко торым коллимационные углы и угол скручивания определяются в резуль тате решения системы трех нелинейных уравнений, в которых коэффици енты при неизвестных определяются параметрами КЭ, а свободные члены – измеренные координаты изображений марки автоколлиматора на мат ричном фотоприемнике.
5. Уменьшение погрешности измерения вследствие виньетирования рабочих пучков оправами оптических элементов обеспечивается при рас PDF создан испытательной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com -8 положении КЭ до точки формирования пучка автоколлиматора, при этом световые диаметры объектива автоколлиматора и КЭ должны быть связаны найденным соотношением.
6. Защищаются принципы построения алгоритмической модели функционирования ТОЭА на участке измерительной цепи КЭ – матричный анализатор изображений, позволяющей исследовать влияние первичных составляющих погрешности измерения.
Практическая ценность работы.
Автором разработаны:
l Метод расчёта матриц действия КЭ в виде зеркального триэд ра и стеклянного тетраэдра с учётом членов второго порядка малости;
l Методика расчёта параметров КЭ, обладающего требуемыми метрологическими свойствами: возможностью измерения трёх угловых ко ординат при использовании единого поля анализа для обработки изобра жений, сформированных отраженными пучками, а также варьируемыми коэффициентами передачи по всем трём измеряемым углам в зависимости от рабочей дистанции до КЭ и диапазонов измеряемых углов;
l Структура оптической схемы ТОЭА с единым полем анализа.
l Методики расчёта световых диаметров элементов оптической схемы ТОЭА;
l В результате экспериментов на моделях ТОЭА получены дан ные, позволяющие выработать пути повышения точности измерения.
l Результаты экспериментов с макетом ТОЭА подтвердили воз можность практической реализации высокоточной трехкоординатной сис темы измерения углового пространственного положения объектов.
Внедрение результатов работы отражено двумя актами внедрения методик расчета параметров оптико-электронных трехкоординатных авто коллиматоров и практических алгоритмов автоколлимационных измерений в отраслевой научно-исследовательской лаборатории кафедры Оптико PDF создан испытательной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com -9 электронных приборов и систем СПб ГУ ИТМО, а также в учебном про цессе СПб ГУ ИТМО.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсужда лись на следующих конференциях и семинарах:
– III межвузовская конференция молодых ученых (Сессии научных школ), Санкт-Петербург, СПб ГУ ИТМО, 10-13 апреля 2006 года;
–VII Международная конференция «Прикладная оптика-2006» Санкт – Петербург, Россия, 16-20 октября 2006;
– IV межвузовская конференция молодых учёных (Сессии научных школ), Санкт-Петербург, СПб ГУ ИТМО 10-13 апреля 2007 года;
научная и учебно-методическая конференция – XXXVI профессорско-преподавательского и научного состава, Санкт-Петербург, СПб ГУ ИТМО, 30 января - 2 февраля 2007 года.
Публикации Основные результаты диссертационной работы опубли кованы в 6 статьях и тезисах докладов.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложения.
Работа содержит 119 страниц основного текста, 56 рисунков;
биб лиографический список включает 87 наименований.
II КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во Введении обосновывается актуальность проблемы, сформулиро вана цель работы, приведены основные положения, выносимые на защиту.
В Главе 1 проведён анализ метрологических параметров трёхкоорди натных углоизмерительных систем, построенных по ряду известных схем (угломеры использующие гравитационно-чувствительные КЭ, с КЭ на ос нове призм БР–1800, угломеры на основе коллимационной схемы) при по вороте контролируемого объекта относительно трёх ортогональных осей.
Выявлено, что по причине взаимного влияния измерительных каналов, PDF создан испытательной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com -10 сложности селекции изображений марки в плоскости анализа, значитель ного различия в величине чувствительности по измерения коллимацион ных углов и угла скручивания рассмотренные схемы практически непри менимы для высокоточных трехкоординатных измерений.
Анализ известных Пучок 4 2 реализаций оптико электронных угломеров с использованием тетраэдри ческих КЭ подтвердил Пучок принципиальную возмож 7 ность реализации трехкоор Рис. динатных измерений с их использованием. Принципиальным недостатком рассмотренных угломеров является сложная оптическая схема (см. рис. 1), фактически представляющая собой композицию канала измерения колли мационных углов (излучающая марка 1, объектив 2, контрольный элемент 3- плоское зеркало, матричный фотоприемник 4, рабочий Пучок 1) и кана ла измерения угла скручивания (объектив 5, контрольный элемент 6 – стеклянный тетраэдр, матричный фотоприемник 7, рабочий Пучок 2). Ис пользование угломеров такой структуры предъявляет повышенные требо вания к стабильности расположения осей приемных объективов измери тельных каналов и точности согласования отсчетных баз соответствующих матричных анализаторов. По причине сложности реализации, высокой стоимости подобные угломеры реализованы в виде одиночных уникальных образцов.
Более эффективным является построение угломера в виде трехкоор динатного оптико-электронного автоколлиматора (ТОЭА) с общим для ка налов измерения трех угловых координат контрольным элементом (КЭ) и полем анализа. В этом случае схема ТОЭА соответствует классическому автоколлиматору, однако КЭ формирует отдельные пучки для измерения PDF создан испытательной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com -11 коллимационных углов (Пучок 1) и угла скручивания (Пучок 2), а единый матричный анализатор 4 использует специальные алгоритмы для обработ ки формируемых ими изображений (рис.2). Установлены направления дальнейших исследований, Пучок 4 2 уточнен предмет исследований.
Из анализа следует, что параметры ТОЭА, построенного по схеме на рис. 2 в значитель- Пучок 2 ной степени определяется свой- Рис. ствами зеркально-призменной системы, на основе которой реализован КЭ.
При этом одной из основных составляющих погрешности измерения явля ется методическая погрешность вследствие взаимного влияния каналов из мерения угловых координат и погрешность из-за виньетирования рабочего пучка оправами оптических элементов. Эти обстоятельства определили конкретные задачи диссертационных исследований: анализ соотношений между параметрами КЭ тетраэдрического типа и их оптимизация, анализ габаритных соотношений элементов оптической схемы ТОЭА и структуры составляющих суммарной погрешности измерения, исследование влияния первичных погрешностей на компьютерных моделях.
В Главе 2 исследуются соотношения между параметрами зеркально призменных систем, образующих КЭ для ТОЭА с требуемыми метрологи ческими свойствами: уменьшенной погрешностью вследствие взаимного влияния измеряемых углов, изменяемой величиной коэффициента переда чи по трем измеряемым углам, возможностью селекции изображений в плоскости анализа. Также рассматриваются способы задания матрицы пре образования координат при трехкоординатных измерениях, оптимальных по критерию уменьшения погрешности измерения.
Анализ показывает, что при ориентации основного неизменного на правления U1 эквивалентной зеркальной системы КЭ параллельно колли PDF создан испытательной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com -12 мационной оси OY1 (U||j) и осевом орте A падающего пучка (см. рис. 3) ко ордината y1 орта B1 отраженного пучка определяется уравнением:
[ ] y = [ 2 1 ( w 1) + 3 ] sin( ) + 1 cos( ) + (1) k 1, (1) где 1,2,- коллимационные углы, 3 – угол скручивания, - угол поворо та пучка относительно орта U1 при k отражениях, w – параметр, опреде ляющий позицию поворота на угол 3 при формировании матрицы преоб разования координат от неподвижной системы координат XYZ к подвиж ной, связанной с КЭ системе координат X1Y1Z1.
Наиболее простой алгоритм измерения реа Y,Y лизуется при величинах = +, ( – малый U 1 угол), k = 3, что соответствует эквивалентной X,X O U2 зеркальной системе в виде триэдра, углы ме жду гранями которого имеют малые откло нения от 90° и при w=1, определяющем по B ворот на угол 3 как третий в последователь A Z,Z B ности поворотов:
Рис. 3. y1 = 3 + (2 / 2) 1 (2) Как следует из выражения (2), по координате y1 реализуется практически независимое измерение угла скручивания 3 при малом влиянии угла 1.
Аналогичным образом, для второй эквивалентной зеркальной систе мы, определяющей алгоритм измерения коллимационных углов, взаимное влияние измеряемых координат минимально при тех же величинах пара метров и k, но при поворотах 1, 2, задаваемых как первый и второй при определении матрицы преобразования координат. Соответствующие выражения для координат x2,y2 орта B2 отраженного пучка имеют вид:
x 2 = 1 + (1/ 2) 2 2 + (1/ 2) 2 3 (3) y 2 = 2 3 (1/ 2) 2 1 (2 / 2) (4) Как следует из выражения (3), по координате x2 реализуется практи PDF создан испытательной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com -13 чески независимое измерение коллимационного угла 1 при малом влия нии углов 1 и 3. По координате y2 измеряется угол 2 с влиянием угла 3, определяемым величиной второго слагаемого. Для обеспечения селек ции двух изображений, формируемых в плоскости анализа второй эквива лентной зеркальной системой, орт ее основного неизменного направления U2 составляет угол с осью OX1 в плоскости X1OZ1.
Таким образом, установлено, что КЭ для ТОЭА должен быть эквива лентен двум зеркальным триэдрам с найденными параметрами конфигура ции.
В Главе 3 исследуются метрологические свойства отражателей в виде зеркальных триэдров и стеклянных тетраэдров действующих как КЭ для ТОЭА с единым полем анализа.
Для разработки КЭ, обладающего заданными метрологическими свойствами, определены зависимости, связывающие величины элементов матрицы действия КЭ в виде стеклянного тетраэдра (зеркального триэдра) с параметрами конфигурации: величинами 1, 2, 3 отклонения двугранных углов между отражающими гранями (соот- Y,Y ветственно, 1 и 2, 2 и 3, 3 и 1) от 90° (рис. 4), КЭ показателем преломления стекла и углами X,X O определяющим начальную ориентацию КЭ относительно системы координат X1Y1Z1.
Используя найденные соотношения, A Bi Z,Z уточнены условия реализации алгоритмов из Автоколлиматор мерения углов в соответствии с соотноше Рис. 4.
ниями (2)…(4). В частности, орты U1 и U2 ос новных неизменных направлений эквивалентных триэдров занимают тре буемое положение (рис. 3) при условиях:
sin( 1 ) cos( 3 ) + sin( 3 ) sin( 2 ) cos( 1 ) cos( 3 ) = 0 (5) sin( 3 ) + sin( 2 ) cos( 1 ) cos( 3 ) = 0, (6) PDF создан испытательной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com -14 tg ( 1 ) = 2 sin( 2 ) ;
2 tg ( 3 ) = sin( 1 ) откуда следует: (7) Приняв 2 = 11, 3 = 21, из выражений (7) определяются величи ны коэффициентов 1 = 1/2, 2 = –1/2 (погрешность приближения при 3° не более 1%).
При конфигурировании КЭ в соответствии с найденными соотноше ниями, в плоскости анализа отраженными пучками формируются шесть изображений марки автоколлиматора (на рис. 5: 1…6 –положения до пово ротов КЭ, 1’…6’ – после поворотов.
Для определения уг 3 Y ла скручивания по общему 3` 5` алгоритму (2) измеряется 2 4` смещение по OY изобра X жения 1 (или 5), для изме y y1 5 рения коллимационных уг лов в соответствии с вы 1` 6` ражениями (3), (4) изме x2 2` ряются по двум координа Рис. 5 там смещения изображе ния 2 (или 4). Коэффициент передачи по углу скручивания равен K 3 = 4 6 n, по коллимационным углам K 1, 2 = 4 3.
3 Матричный анализатор ТОЭА регистрирует смещения двух изобра жений марки (1 и 2, на рисунке штриховой линией условно показана чувст вительная площадка), после чего измеряемые углы 1,2,3 вычисляются как корни системы нелинейных уравнений:
y1 / f = a1 n 3 + (1 / 2) a12 n 2 1 (8) x 2 / f = c 2 1 + (1 / 2) (a 2 n 3 + a 2 n 1 + c 2 2 2 a 2 n c 2 3 ) a 2 n 2 (9) y 2 / f = c 2 2 a 2 n 3 + (1 / 2) (a 2 2 n 2 1 ) (1 / 2) a 2 n c 2 (10) PDF создан испытательной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com -15 где f – фокусное расстояние объектива ТОЭА, n – показатель преломления материала КЭ;
a1,a2,c2 – параметры матрицы действия КЭ, выраженные через составляющие ортов U1,U2 основных неизменных направлений экви валентных зеркальных систем. Рассматриваются особенности практическо го алгоритма измерения (8)…(10).
В Главе 4 рассмотрены принципы построения и реализована компь ютерная модель ТОЭА на уровне структурной схемы, позволяющая имити ровать влияние первичных погрешностей элементов измерительной цепи, а также разработана методика исследований на ее основе. Необходимость моделирования определяется сложностью точного аналитического описа ния влияния первичных погрешностей в общем случае трехкоординатных угловых измерений. Алгоритм моделирования включает следующие этапы:
для заданных углов поворота определяются координаты изображений мар ки на матричном анализаторе по известным точным значениям параметров ТОЭА (или точным выражениям для матриц КЭ и преобразования коорди нат);
генерируется случайная величина, имитирующая изменение парамет ра измерительной цепи вследствие влияния первичной погрешности;
опре деляются углы поворота «измеренные» после воздействия влияющего фак тора;
находятся погрешности измерения углов как функции величины влияющего фактора.
Наиболее значимой методической погрешностью выявлена погреш ность вследствие приближений при использовании алгоритма измерения по выражениям (8)…(10) – см. рис. 6. Анализ показывает, что при диапазо не измерения угловых координат до 6°, относительная погрешность изме рения угла скручивания 2 практически не превосходит 1%, а коллимаци онных углов 2, 3, соответственно, 0.5%.
Моделирование выявило основные приборные составляющие по грешности измерения: погрешность вследствие отклонения фокусного расстояния объектива автоколлиматора от номинального значения, из-за PDF создан испытательной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com -16 отклонения показате Отн. погрешность 0. ля преломления стек 0. ла КЭ от номиналь ного, вследствие не 0. dm точной начальной 0. dm2 ориентации КЭ. Ука 0. занные погрешности dm являются системати 0. ческими и их влияние 0 2 4 6 8 10 может быть устране Диапазон измерения3iгл. град i, i, у Рис. 6. Методическая погрешность измерения но предварительной углов по разработанному алгоритму калибровкой ТОЭА.
К значимой неуст Погр. изм. угл. сек.
ранимой погрешности измерения приводят отклонения от номи d2 d3 нальных величин па d раметров 1,2,3 кон d d фигурации тетраэдри ческого КЭ. В соответ d ствии с рис. 7, для реа лизации высокоточных 0 2 4 6 8 Отклонение параметров угл. сек. измерений технологи d Рис. 7. Погрешность измерения углов вслед- ческий допуск на па ствие отклонения параметров 1,2,3 кон раметры 1,2,3 не трольного элемента должен превышать 1 угл. сек..
Наиболее значимой флуктуационной составляющей является по грешность вследствие неточного измерения координат изображений мар ки на матричным анализатором каждой ТОЭА. Причиной возникновения PDF создан испытательной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com -17 погрешности являются шумы и дискретность приемной площадки ПЗС погрешности являются шумы и дискретность приемной площадки ПЗС или КМОП матрицы. Из ре Погр. изм. угл. сек.
зультатов моделирования сле- дует, что при погрешности из мерения координат y1,x2,y2 da da изображений не более 0,05 пиксела матрицы анализатора, реализуются высокоточные da измерения углов поворота (рис. 8). Требуемая точность измерения координат обеспе 0 0.05 0.1 0.15 0. чивается при уровне облучен Погрешность измерения координат в долях от величины элемента КМОП матрицы ности в изображении близком к насыщению, что достижимоРис. 8. Погрешность измерения углов вслед ствие неточного измерения координат изо при использовании инфра-бражений на матричном анализаторе красных излучающих диодов в качестве марки автоколлиматора.
В Главе 5 рассматриваются особенности габаритного расчета эле ментов оптической схемы ТОЭА с единым полем анализа, выполняется расчет параметров макета ТОЭА, приводятся результаты его эксперимен тального исследования.
Определяются соотношения между габаритами оптических элемен тов, позволяющие уменьшить погрешность измерения вследствие виньети рования пучков, формирующих изображения марки в плоскости анализа.
На их основе разрабатывается методика расчета параметров оптических элементов ТОЭА (апертуры КЭ, светового диаметра и углового поля объ ектива автоколлиматора) при заданных параметрах матричного анализато ра и излучающей марки автоколлиматора.
PDF создан испытательной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com -18 С использованием разработанных методик спроектиро ван и реализован макет ТОЭА и выполнены его экспериментальные иссле дования.
Параметры макета: фокусное расстояние объектива автоколлиматора 150 мм при относительном отверстии 1:3, марка - полупроводниковый из лучающий диод SFH 485 P (Siemens) с мощностью излучения 10 мВт с диафрагмой диаметром 0,3 мм, анализатор – КМОП матрица OV5610 Color CMOS QSXGA (5.17 MPixel) с размером пиксела 2,8 2,8 мкм. Контроль ный элемент – стеклянный тетраэдр со световым диаметром 40 мм, углы между отражающими гранями которого имеют отклонения от 90°, рассчи танные по соотношениям (7) при 1 = 12 угл. мин.
Снимались статические характеристики при поворотах по всем трем измеряемым углам в диапазоне 2 угл. град. при дистанции до КЭ 1, м. Погрешность измерения коллимационных углов 1,2 составила 15 угл.
сек., угла скручивания 3 – 6 угл. сек. (величины указаны с доверительной вероятностью 0,997).
Результаты экспериментов подтвердили правильность разработан ных принципов построения, алгоритмов измерения и методик расчета па раметров малогабаритного ТОЭАК, реализующего высокоточные угловые измерения в увеличенном диапазоне углов.
III ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Проделан анализ известных аналогов синтезирована схема угло измерительного трехкоординатного оптико-электронного автоколлиматора с единым полем анализа, сформулированы требования к отражающему контрольному элементу (КЭ).
2. Проведены исследования свойств КЭ для трехкоординатных авто коллимационных измерений на основе тетраэдрических отражателей раз личных видов.
PDF создан испытательной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com -19 3. По результатам исследований разработаны практические алгорит мы автоколлимационных измерений, основанные на измерении координат изображений марки в плоскости анализа автоколлиматора с их последую щим нелинейным преобразованием.
4. Разработана группа методик расчёта параметров КЭ для трехкоор динатного оптико-электронного автоколлиматора с единым полем анализа, использование которых позволяет уменьшить погрешность измерения из-за взаимного влияния измеряемых углов, синтезировать КЭ с коэффициента ми передачи, соответствующими рабочей дистанции и диапазону измере ния углов, обеспечить селекцию изображений в поле анализа.
5. Разработана методика расчёта габаритов оптических элементов ав токоллиматора, определяющая возможность уменьшения погрешности из мерения вследствие виньетирования рабочих пучков.
6. На основе разработанных компьютерных моделей получены соот ношения, определяющие зависимость суммарной погрешности измерения трехкоординатного автоколлиматора от величин отклонений параметров звеньев измерительной цепы.
7. Реализован макет оптико-электронного трехкоординатного авто коллиматора и проведены его экспериментальные исследования, подтвер дившие правильность разработанных методик и принципов построения.
Результаты диссертации отражены в следующих публикациях.
1. Син Сянмин. Определение параметров контрольного элемента углоизмери тельной ОЭС с избирательной инвариатностью. // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 26 “Исследования в области приборостроения” /Под ред. В.Н. Василь ева – СПб: СПбГУ ИТМО, 2006, с. 230- 2. Син Сянмин, Царева М.В. Коняхин И.А. Исследование контрольного эле мента для угловых измерений с нарушенной типовой конфигурацией. //Труды VII Международной конференции “Прикладная оптика-2006”.– 16-20 октября 2006 г, СПб, Россия. Сборник трудов, Том.1 "Оптическое приборостроение". - СПб: СПбГУ ИТМО, 2006, с. PDF создан испытательной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com -20 3. Xing Xiangming, Zhang Jilong, Alexandr Timofeev, Igor Konyakhin. Definition of monitoring device’s parameter of goniometric optic-electronic system with selective invari ance.//Труды VII Международной конференции “Прикладная оптика-2006”.– 16-20 ок тября 2006 г, СПб, Россия. Сборник трудов, Том.1 "Оптическое приборостроение". СПб: СПбГУ ИТМО, 2006, с. 55-59.
4. Син Сянмин, Поляков В.М., Коняхин И.А., Ворона А.М. Исследование авто рефлексионной углоизмерительной системы с алгоритмической компенсацией систе матической составляющей погрешности, вызванной виньетированием //Труды VII Международной конференции “Прикладная оптика -2006”, 16-20 октября 2006 г, СПб, Россия. Сборник трудов, Том.1 "Оптическое приборостроение". - СПб: СПбГУ ИТМО, 2006, с. 67- 5. Син Сянмин. Анализ свойств триэдрического контрольного элемента авто коллиматора с неплоской отражающей гранью. //Труды IV Межвузовской конферен ции молодых учёных. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2007, с. 51.
6. Анализ частных инвариантных преобразований в оптико-электронных систе мах контроля пространственного положения /И.А. Коняхин, А.Н. Тимофеев, Э.Д. Пан ков, Син Сянмин // Изв. Вузов. Приборостроение, 2007, Т. 50, N 7, С. 5–9.
Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении PDF создан испытательной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com -21 "Университетские телекоммуникации" 197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул., 14. Тел (812) 233-46-69.
Тираж 80 экз.
PDF создан испытательной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com