Специальные приборы для измерения линейных и угловых величин

ствием электрического поля. К таким материалам относятся соедине­ ния, в которых полоса оптического поглощения может быть наведена или существующая полоса изменена под действием электрического поля. Лазерно-лучевые индикаторы относятся к универсальным уст­ ройствам синтеза и воспроизведения изображения. Однако их прак­ тическая реализация сдерживается существующими трудностями в управлении оптическим лазерным излучением.

2. РАБОЧИЕ МЕРЫ И ОТСЧЕТНЫЕ УСТРОЙСТВА ВЫСОКОТОЧНЫХ УГЛОМЕРНЫХ ПРИБОРОВ

2.1. Рабочие меры

Рабочие меры являются важными элементами высокоточных угло­ мерных приборов (УП), поскольку они выполняют в приборе роль эта­ лона, с которым осуществляется сравнение угла в процессе его изме­ рения. В связи с этим к рабочим мерам угломерных приборов предъ­ являют определенные требования, наиболее существенные из них:

воспроизведение с установленной точностью целых, кратных или дробных значений единицы утла;

возможность обеспечения проверки точностных параметров меры; сохранение требуемой точности меры в процессе эксплуатации УП; возможность изготовления меры с учетом существующей техно­

логии в условиях опытного и серийного производства.

Рабочие меры УП в соответствии с выполняемыми функциями являются многозначными. В связи с этим к основным метрологиче­ ским параметрам в соответствии с ГОСТ 16263-70 и ГОСТ 8.009-84 относятся следующие:

цена деления равномерной шкалы или минимальная цена деле­ ния неравномерной шкалы меры;

начальное и конечное значения шкалы меры; диапазон шкалы меры; показатели точности меры; пределы шкалы меры.

Для рабочих мер, обеспечивающих выдачу результатов измере­ ний в цифровом виде, метрологическими параметрами являются выходной код, число разрядов кода, номинальная цена единицы наименьшего разряда кода меры и показатели точности меры. По­

70

мимо этого применяемая в конкретном приборе рабочая мера имеет ряд конструктивных параметров и характеристик, определяемых принципом ее построения и характером использования.

Один из возможных вариантов классификации рабочих мер, применяемых в высокоточных УП» представлен на рис. 37.

Наиболее распространены пространственные меры, имеющие ряд положительных свойств: простоту конструкции, надежность, компактность. Однако применение пространственных мер в высо­ коточных УП, как правило, связано с определенными трудностями.

Прежде всего, при использовании пространственных мер про­ цесс измерения больших углов является многоступенчатым.

Рис. 37. Классификация рабочих мер высокоточных УП

Это определяется тем, что пространственная угловая рабочая мера при измерении полных углов должна быть размещена в опти­ мальных для использования на практике габаритных размерах УП и на ней не могут быть зафиксированы все дискретные направления, интервал между которыми соответствует угловой чувствительности

71

прибора. Поэтому на рабочей мере с предельной точностью тем или иным способом (например, штрихами) фиксируются дискретные направления со строго определенным интервалом между ними.

Определение измеряемого направления относительно меры вы­ полняется в такой последовательности. Сначала положение изме­ ряемого направления относительно поля объекта определяется по мере с точностью до интервала ее дискретности, т. е. снимается грубый отсчет. Затем с помощью дополнительного отсчетного уст­ ройства, в состав которого входит вспомогательная мера, определя­ ется положение измеряемого направления относительно направле­ ний, зафиксированных на мере, - снимается точный отсчет. При этом вспомогательная и основная меры однозначно связаны между собой, а их точностные характеристики соответствуют одна другой.

Как правило, в высокоточных УП требуемую точность удается обеспечить при использовании рассмотренной двухступенчатой схе­ мы, однако иногда приходится использовать и трехступенчатую схему.

Сложность технологии изготовления пространственных мер также создает определенные трудности.

Основное преимущество использования временной меры заклю­ чается в простоте отсчитывания измеренного угла и удобстве пред­ ставления выходной информации, что особенно важно при создании автоматических угломерных систем. Кроме того, высокая точность измерения временных интервалов, достигнутая в настоящее время, позволяет заметно повысить точность угловых измерений. Однако в УП с использованием временной меры требуется обеспечивать ска­ нирование, что приводит либо к необходимой высокой степени ста­ билизации скорости взаимного перемещения изображения визируе­ мого объекта и анализатора, либо к жесткой синхронизации скани­ рующей системы и опорного генератора временной меры.

2.2. Штриховые рабочие меры

Традиционными и наиболее распространенными рабочими мера­ ми являются штриховые, представляющие собой последовательность штрихов, нанесенных на рабочую поверхность меры через опреде­ ленные интервалы. В УП применяют круговые штриховые меры - лимбы и линейные шкалы. Лимбы являются основными мерами, а линейные шкалы используются обычно в отсчетных устройствах для

72

определения дробной части интервала основной меры. В некоторых случаях шкалы отсчетных устройств выполняются в виде секторов.

В высокоточных УП применяются лимбы исключительно с рав­ номерным нанесением штрихов. При этом для градусной меры штрихи наносятся через 1; 1/2; 1/3; 1/6; 1/12; 1/15°, а для градовойчерез 1; 1/2; 1/5 град.

Пределы шкалы лимбов составляют полный угол, причем нуле­ вой штрих совпадает с 360-градусным (либо с 400-градовым) штри­ хом. В связи с этим у лимбов пределы и диапазон шкалы меры сов­ падают. Точность лимбов определяется так называемыми погреш­ ностями диаметров - полусуммой погрешностей положения двух штрихов, расположенных через 180° ( 2 0 0 град) по лимбу.

Погрешность положения отдельных штрихов в угловой мере оп­ ределяется линейным смещением k штриха при нанесении:

s M V ' V .

где г - радиус кольца делений лимба.

При измерении направлений погрешность положения отдельных штрихов неотделима от погрешностей, вызванных эксцентрисите­ том ё' и неизбежно возникающих как при делении, так при уста­ новке лимба в приборе. Погрешность, вызванная эксцентриситетом, при отсчете по одной стороне лимба

е" = (epffsin(M - М 0))/ г,

где е - эксцентриситет; М - отсчет по лимбу, соответствующий измеренному направ­

лению; М0 - отсчет, соответствующий направлению, проходящему через

центр кольца делений и ось вращения отсчетного приспособления. При М = М0± 90° максимальное значение погрешности, вызван­

ной эксцентриситетом:

С * =

73

Как известно, при отсчете по двум диаметрально противополож­ ным штрихам лимба погрешность, вызванная эксцентриситетом, практически полностью исключается, и при оценке влияния неточно­ сти изготовления рабочей меры следует использовать погрешность диаметра, которая с учетом независимости и случайности погрешно­ стей положения противолежащих штрихов определяется выражением

где 5„ - погрешность положения штриха лимба, соответствующая отсчёту М;

$ ,„+180° - погрешность положения диаметрально противополож­ ного штриха лимба.

Основным геометрическим параметром штриха лимба является его ширина. Видимая в окуляр отсчетного устройства ширина штриха Ь0 должна составлять приблизительно 0,1 мм. Следователь­ но, ширина штрихов, наносимых на лимб:

b = Ь0 /Г м,

где Гм - увеличение оптической системы отсчетного микроскопа.

В настоящее время штрихи лимбов высокоточных УП выполня­ ются бифилярными, что позволяет обеспечить более высокую точ­ ность отсчитывания и нанесения делений [1]. Расстояние между бифилярными штрихами желательно иметь (1,5... 2) Ь, видимый ин­ тервал между штрихами находится в пределах (8... 12) Ь. Длину ма­ лого штриха обычно принимают равной 0,6 интервала, а длины

штриха. Числовые отметки наносят у каждого градусного деления лимба. Ширина штрихов лимбов обычно составляет 2... 5 мкм.

Погрешности нанесения штрихов лимба определяются точно­ стью делительной машины, на которой они выполняются, и скла­ дываются из погрешностей: систематической 5]Ь короткопериоди­ ческой 8 )2 и случайной 5]3.

Систематические погрешности лимба в значительной мере ис­ ключаются симметричной программой перестановок лимба либо

74

введением поправок. Систематическую погрешность можно оце­ нить по эмпирической формуле

где £)д - диаметр кольца делений лимба (рабочий диаметр;; Кб - коэффициент, учитывающий бифилярность штрихов; для

одинарных штрихов К6= 1, для бифилярных - Кб= 1,41. Короткопериодические погрешности нанесения штрихов лимба

возникают в тех случаях, когда число зубьев глобоидального чер­ вячного колеса делительной машины не совпадает с числом штри­ хов на лимбе. Для этих случаев принимают

512=40у/?д . (2)

Случайные погрешности диаметров лимба зависят от совокупно­ сти многих факторов. Эту зависимость также можно представить эмпирическим выражением

Суммарное значение полной погрешности рабочей меры находят средним квадратическим суммированием перечисленных погреш­ ностей.

Для наиболее совершенных делительных машин погрешность нанесения штриха в линейной мере 4 « 25 мкм. Для среднего значе­ ния диаметра кольца делений лимба, равного 1 0 0 мм, эта погреш­ ность в угловой мере составляет б « что дает погрешность диа­ метра 5d * 0,7 ".

С учетом некоторых других факторов полная погрешность диа­ метра лимба указанного размера составляет ~

При увеличении диаметра лимба угловые погрешности нанесе­ ния штрихов могут быть уменьшены. Так, для г = 100 мм предельно достижимая погрешность диаметра высокоточного лимба составля­ ет 0 ,4...0 ,5".

Следует отметить, что в современных высокоточных угломер­ ных приборах диаметры лимбов редко превышают 250 мм. У каи-

75

более точного из отечественных теодолитов Т05 диаметр кольца делений горизонтального лимба D4 = 180 мм. Для обеспечения ста­ бильности и жесткости лимба из оптического стекла на практике найдены следующие соотношения его геометрических параметров: внешний диаметр D ~ 1,ШД) внутренний диаметр d= (0,3... 0,7) Д толщина t —(0,1...0,05) D.

Линейные шкалы для отсчетных приспособлений имеют цену деления, производную от цены деления, лимба и определяемую при расчете отсчетного устройства. Диапазон шкалы соответствует цене деления лимба, а пределы ее несколько больше диапазона за счет дополнительных штрихов, выполняемых по обе стороны шкалы для определения крена отсчетного устройства.

Точностные характеристики линейных шкал определяются воз­ можностями продольных делительных машин. Современные маши­ ны обеспечивают погрешность нанесения штрихов приблизительно 2 мкм при длине шкалы до 1000 мм. Поскольку шкалы отсчетных устройств УП значительно короче - 50... 100 мм, погрешность их изготовления составляет 0,5... 1 мкм. Соотношения между шириной и остальными геометрическими параметрами штрихов аналогичны рассмотренным выше.

К конструкциям узлов крепления лимбов предъявляют опреде­ ленные требования, направленные на обеспечение надежности за­ крепления и устранения возможных деформаций при эксплуатации.

Соединение стекла лимба с оправой должно быть нежестким, но достаточно плотным. Значения коэффициентов линейного расши­ рения материала оправы лимба и стекла должны быть близкими между собой. Между оправой лимба и деталями осевой системы, если они изготовлены из материалов с разным коэффициентом ли­ нейного расширения, может быть предусмотрен защитный пояс уп­ ругости, компенсирующий деформации при изменениях температу­ ры среды. Поверхность базирования лимба в оправе должна быть обработана таким образом, чтобы не деформировать лимб при кре­ плении. В конструкции крепления лимба обычно предусматривает­ ся пригонка перпендикулярности рабочей поверхности круга по от­ ношению к оси вращения.

Все штриховые лимбы устанавливаются с возможностью их кру­ говой перестановки в целях измерения углов на различных участках лимба для ослабления влияния погрешности делений на результат

76

измерения. Существуют два варианта конструкции крепления стек­ лянного лимба в высокоточном УП (рис. 38).

Аналогично лимбам крепятся в металлических оправах и другие детали из стекла, например, линейные рабочие меры - шкалы, ли­ нейки и др.

Штриховые меры в УП с фоторегистрацией принципиально не отличаются от рассмотренных.

Рис. 38. Конструкции крепления стеклянного лимба:

а- с использованием защитного пояска упругости ПУ оправы;

б- с использованием упругой прижимной детали

Штриховые меры для фотоэлектрических преобразователей обычно выполняются с большим числом штрихов и не имеют чи­ словых отметок. При этом возможны меры с темными штрихами на светлом фоне и со светлыми на темном, а также меры с шириной штрихов, равной ширине интервала между штрихами.

2.3. Кодовые рабочие меры

Кодовые рабочие меры строятся на принципе соответствия каж­ дому их дискретному угловому или линейному положению одной цифровой кодовой комбинации. Цифровые коды могут быть реали­ зованы на основе любой системы счисления, однако на практике наибольшее применение получили двоичные и двоично-десятичные коды различных видов.

7 7

Наиболее простым из них является естественный двоичный код. При построении меры в этом коде весь диапазон изменения угла или линейного перемещения разбивают на равные интервалы (шаги квантования) и каждому интервалу ставят в соответствие двоичное число. При этом шаг квантования должен соответствовать угловому 5 или линейномуЛ разрешению меры.

Кодовые шкалы угломерных приборов обычно представляют собой стеклянные круги или пластинки, на которых выполнена система при­ мыкающих одна к другой разрядных дорожек - кольцевых или линей­ ных - с прозрачными и непрозрачными участками. При этом число таких участков от разряда к разряду увеличивается в 2 раза (рис. 39).

С читывающ ие

б)

Рис. 39. Шкала меры на основе простого двоичного кода

78

Число разрядов кодовой шкалы определяется выражениями: для круговой кодовой шкалы (рис. 39, а)

Р к = b g 2(360°/5)

для линейной кодовой шкалы (рис. 39, б)

Р, = !og 2 ( L/ А),

где L - длина шкалы.

Как видно из рисунков, каждому положению кодовой шкалы соот­ ветствует вполне определенное двоичное число. Считывание инфор­ мации (рис. 40) с кодовой шкалы 3 осуществляется с помощью линей­ ки 5 фотодиодов, размещенных за узкой щелью 4. Подсветка щели осуществляется источником света с использованием конденсора 2 . Число фотодиодов линейки 5 соответствует числу разрядных дорожек.

И IN I 114 -5

м о т в о

Рис. 40. Оптическая схема кодового преобразователя

79