4uKoYzHCP0

УДК 681.786.3:621.373.8 (07)

Исследование характеристик лазерных гониометрических систем: метод. указания к лаб. работам / сост. Иващенко Е. М., Павлов П. А. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2014. 28 с.

Содержат описание двух лабораторных работ, входящих в состав лабораторного практикума по дисциплине «Лазерные измерительные системы». Лабораторные работы посвящены методам и средствам прецизионных угловых измерений. Выполнение работ служит закреплению и углублению знаний, полученных в теоретическом курсе.

Предназначены для магистров, обучающихся по направлению 200100 «Приборостроение».

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве методических указаний

СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2014

2

ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ

Целью лабораторных работ по дисциплине «Лазерные измерительные системы» является формирование навыков работы со средствами прецизионных угловых измерений, изучение методов обработки результатов измерений, применение алгоритмов и методов повышения точности лазерных измерительных систем.

В методических указаниях использованы материалы монографии П. А. Павлова и Ю. В. Филатова «Лазерная гониометрия» (СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2010).

При выполнении отчета по лабораторной работе должны быть соблюдены следующие требования:

1.Отчет оформить на листах А4 и скрепить их.

2.Титульный лист должен иметь следующий вид:

МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

(СПбГЭТУ)

Отчет по лабораторной работе

«Название лабораторной работы»

Студент (факультет, курс, группа, фамилия, имя, отчество)

Преподаватель

Дата

3

Используемые сокращения

ДГ – динамический гониометр; КЛ – кольцевой лазер;

ЛДГ – лазерный динамический гониометр; МП – многогранная призма; НИ – нуль-индикатор; ОДУ – оптический датчик угла.

4

ВВЕДЕНИЕ

Гониометры применяются в задачах аттестации преобразователей уг-

ла, многогранных призм (МП) и измерения показателя преломления. МП играют огромную роль в обеспечении единства измерений, в оптике и промышленности. Преобразователи угла используются везде, где необхо-

димы автоматизация и контроль процессов перемещений: в системах ори-

ентации солнечных батарей, робототехнике, автоматизированных ком-

плексах, аппаратах аэрографической съемки, радиолокационных станци-

ях, системах навигации, высокоточном оружии и пр.

Динамическими (ДГ) называют гониометры, угловая шкала которых непрерывно вращается в процессе измерений. Особенностью таких го-

ниометров является невозможность использования традиционных систем считывания. Для фиксации положения МП в процессе вращения разрабо-

таны специальные устройства – нуль-индикаторы (НИ).

В качестве эталонной круговой шкалы в ДГ могут быть использова-

ны как кольцевые лазеры (КЛ), так и оптические датчики угла (ОДУ). КЛ обладают сверхвысоким разрешением, а их потенциальная точность до-

стигает тысячных долей угловой секунды. Однако их недостаток – диапа-

зон скоростей вращения, при которых соблюдаются требуемые точност-

ные характеристики. Диапазон скоростей вращения – важный фактор ат-

тестации преобразователей угла. Поэтому в задачах аттестации преобра-

зователей угла широкое распространение получили динамические гонио-

метры с ОДУ в качестве эталонной круговой шкалы. Недостатком ис-

пользования ОДУ является необходимость определения систематической погрешности для ее дальнейшего использования в качестве поправок к результату измерения. Определение систематической погрешности ДГ с ОДУ осуществляется с использованием КЛ.

Настоящие методические указания содержат описание двух лабора-

торных работ. Первая работа посвящена аттестации МП на лазерном ди-

намическом гониометре (ЛДГ), а вторая – исследованию погрешностей высокоточного динамического гониометра, предназначенного для атте-

стации преобразователей угла.

5

Аппаратная часть ЛДГ обеспечивает получение сигнала с КЛ, формирование интервалов суммирования сигналов с КЛ и передачу информации в персональный компьютер. Вычислительная часть осуществляет обработку полученной информации, вывод и хранение результатов обработки.

Поворотная платформа приводится в движение приводом. На оси вращения платформы закреплены КЛ и МП. НИ вырабатывает импульсы в моменты времени, когда очередная грань МП перпендикулярна его световому пучку.

Блок электроники содержит систему управления двигателем, формирователи сигналов, специализированную плату счетчиков, интегрирующую сигнал КЛ в пределах временных интервалов, задаваемых НИ, и передающую данные персональному компьютеру.

В ЛДГ для калибровки МП необходимую фиксацию ее положения в условиях ее непрерывного вращения обеспечивают нуль-индикаторы НИ.

НИ представляет собой двухлучевой интерферометр Тваймана– Грина со светоделительной призмой (призмы типа Дове, Кестерса, Уолша) реги-

страции интерференционной картины фотоприемником. С выхода НИ в

6

момент совпадения его визирной оси с нормалью к отражающей поверхности

(грани многогранной призмы), вращающейся на поворотной платформе,

снимается импульсный сигнал, форма которого определяется типом НИ.

При измерениях углов МП НИ вносит свою погрешность, которая со-

средоточена на первой гармонике частоты вращения и вызвана в основном наклоном измерительной плоскости НИ.

КЛ применяется в качестве угловой шкалы сверхвысокого разреше-

ния. Обычно в гониометрии используется кольцевой гелий-неоновый лазер типа ГЛ-1. Он выполнен в виде моноблочной конструкции с четырьмя призмами полного внутреннего отражения. КЛ генерирует две распростра-

няющиеся навстречу друг другу световые волны с λ = 0,63 мкм.

Как отмечалось ранее, использование КЛ в качестве эталонной круго-

вой шкалы позволяет строить высокоточные ЛДГ, единственным недостат-

ком которых является ограниченный динамический диапазон работы КЛ

(60°/c−360°/c), в котором обеспечиваются его точностные характеристики.

Для круга задач, связанных с аттестацией преобразователей угла,

необходимы гониометры более широкого динамического диапазона, где в качестве образцовой круговой шкалы используются оптические датчики угла.

В.2. Структурная схема высокоточного динамического гониометра

Схема высокоточного ДГ представлена на рис. В.2.

На шпинделе ДГ, вращающемся в подшипниках, закреплены ОДУ и КЛ. Шпиндель приводится во вращение приводом, состоящим из двигате-

ля и системы управления двигателем. Измерение угла поворота шпинделя ДГ кольцевым лазером происходит в моменты времени, сформированные оптическим датчиком угла. Выходные сигналы с ОДУ и КЛ поступают в блок электроники, осуществляющий предварительную обработку данных и передачу их в персональный компьютер.

Построение ДГ, использующее принцип комплексирования двух пре-

образователей угла – КЛ и ОДУ, в основу которых положены принципи-

ально различные физические эффекты, позволяет проводить угловые изме-

рения как в широком диапазоне скоростей вращения, так и статике, а так-

же определять характеристики обоих преобразователей.

7

одной или нескольких считывающих головок с индикаторными решетками и головки нулевой метки, расположенных на неподвижной части гониометра.

При угловом перемещении измерительной решетки относительно индикаторной модулируется световой поток, который в дальнейшем преобразуется в электрические синусоидальные сигналы. Число периодов сигналов пропорционально измеряемому угловому перемещению.

Систематическая погрешность ОДУ определяется погрешностями его изготовления и установки (эксцентриситет установки измерительной решетки, тангенциальный и радиальный сдвиги, погрешность от параллакса).

В.3. Принцип работы и методы измерений

КЛ вращается с квазипостоянной частотой вместе с МП (в случае ЛДГ для калибровки многогранных призм) или вместе с ОДУ (в случае высокоточного динамического гониометра).

При вращении КЛ частота выходного сигнала пропорциональна его угловой скорости:

где k − масштабный коэффициент КЛ.

В процессе угловых измерений периоды выходного сигнала КЛ интегрируются в пределах интервалов времени, сформированных выходными импульсами НИ или ОДУ. Интегрирование выражения (1) дает число пе-

8

вносит слагаемое, пропорциональное вертикальной составляющей скорости вращения Земли Ω E .

Систематическая погрешность измерений кольцевым лазером может быть уменьшена использованием фазовременного метода измерений. Он заключается в том, что наряду с измерением фазы выходного сигнала КЛ производится измерение интервалов времени, сформированных выходными сигналами отметчика угла, которым в случае высокоточного динамического гониометра является ОДУ, а в случае ЛДГ для калибровки многогранных призм – НИ. Измерение временных интервалов между импульсами отметчика угла позволяет компенсировать погрешность, связанную с аддитивной составляющей в частоте выходного сигнала и внутриоборотной нестабильностью скорости вращения. Появление дополнительного источника погрешности, связанного с дискретностью измерения интервалов времени, существенно не влияет на итоговую погрешность измерения, так как измерение времени возможно с высокой точностью.

Поскольку Ω E на широте места известна с высокой точностью, то си-

стематическая погрешность измерений уменьшается алгоритмически. Алгоритм измерения угла фазовременным методом с компенсацией вертикальной составляющей скорости вращения Земли имеет следующий вид:

Знак «плюс» или «минус» определяется направлением вращения КЛ: если КЛ вращается по часовой стрелке, берется знак «плюс», в противном слу-

После устранения влияния нестабильности скорости вращения, основным фактором, обуславливающим систематическую погрешность измерения угла кольцевым лазером, является магнитное поле. КЛ имеет ось чувстви-

10