Введение к работе
Актуальность темы. Угловые измерения широко применяются во многих областях науки, промышленности. До недавнего времени единство угловых измерений осуществлялось в соответствии с Государственной поверочной схемой (ГОСТ 8.016-81), согласно которой с наивысшей точностью воспроизводится единица «постоянного» плоского угла (т.е. угла, заданного некоторой угловой мерой), а ее передача рабочим эталонам и средствам измерения происходит с использованием угловых мер в виде многогранных призм. В настоящее время широкое распространение получили датчики угла, работающие в динамическом режиме и обладающие высокой разрядностью, которые не включены в эту поверочную схему.
Для обеспечения единства угловых измерений на современном этапе, развития технического прогресса и обеспечения преемственности необходим переход на новую поверочную схему измерений, во главе которой находился бы эталон угла, воспроизводящий единицу постоянного и изменяющегося во времени плоского угла. В этой связи становится актуальной разработка и создание высокоточных средств измерения, реализующих новою поверочную схему измерений.
Новые промышленные технологии выдвигают задачу прецизионного высокоскоростного измерения параметров сложного углового движения самых разнообразных объектов, к числу которых можно отнести гиростабилизированные системы, многоосные испытательные стенды, различного рода оптические сканирующие зеркала, большие следящие антенные системы и т.п. Однако в настоящее время не существует единой метрологической базы для их поверки и аттестации. Существующие эталоны угла, угловой скорости, углового ускорения и их поверочные схемы обеспечивают единство измерений вышеуказанных величин отдельно друг от друга.
Решение поставленных задач возможно с использованием последних достижений науки и техники. Новые возможности в области угловых измерений открывает лазерная гониометрия, которая сформировалась в самостоятельное научное направление [1] и позволила разработать технику прецизионных угловых измерений. Первый лазерный динамический гониометр (ЛДГ) был реализован в 70-ые годы во ВНИИМ им. Д.И.Менделеева для передачи в динамике размера единицы плоского угла от образцовой многогранной призмы магнитному преобразователю угла [2]. Первый промышленный образец ЛДГ «ГС-1Л» [3] был выпущен заводом «Арсенал» (г. Киев) в начале 80-х годов серией в нескольких десятков экземпляров. Высокие точностные характеристики ЛДГ и реальные перспективы их дальнейшего
2 повышения позволили уже в начале 80-ых поставить вопрос о возможности создания эталонных средств измерения угла на основе ЛДГ [4].
Широкое использование в средствах измерения, системах управления, испытательном оборудовании датчиков угла, работающих в динамическом режиме, а также необходимость преемственности при передаче единицы плоского угла с использованием многогранных призм, ставит задачу перехода на новые метрологические средства измерений и создание новой поверочной схемы для средств измерений плоского угла.
Цель и основные задачи работы.
Целью работы является разработка методов лазерной гониометрии, повышающих точность угловых измерений, и создание на их основе высокоточных измерительных систем, обеспечивающих единство измерений постоянных и изменяющихся во времени угловых величин.
Для достижения указанной цели необходимо:
разработать новые методы измерений лазерной гониометрии;
разработать методики измерений, минимизирующие погрешность угловых измерений;
разработать принципы построения эталонных средств измерения угла;
разработать и исследовать эталонные средства измерения угла;
разработать и исследовать лазерные гониометрические системы (ЛГС) для измерения изменяющихся во времени угловых величин;
разработать принцип построения эталона показателя преломления твердых тел по методу угла наименьшего отклонения с использованием лазерного гониометра;
разработать регистрирующую аппаратуру для ЛГС.
Методы исследований включают в себя аппарат теории вероятностей и математической статистики, аппарат математического и регрессионного анализа, математическое моделирование, инженерно-физический эксперимент.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем:
Результаты исследования фазо-временного метода угловых измерений, в
рамках которого предложена и исследована объединенная методика измерений,
включающая в себя компенсацию обобщенного сдвига нуля и фильтрацию шума.
Объединенная методика измерений позволяет уменьшить погрешность измерений и
приблизиться к теоретическому пределу точности измерений в лазерной
гониометрии.
Метод построения высокоточных лазерных гониометрических систем (ЛГС), основанный на комплексировании кольцевого лазера (КЛ) и оптического датчика угла (ОДУ). Метод анализа погрешностей ЛГС, основанный на модифицированном методе кросс-калибровки, с использованием которого проведены исследования Государственного первичного эталона (ГПЭ) единицы плоского угла при угловом перемещении твердого тела.
Метод анализа систематических погрешностей КЛ и интерференционного нуль индикатора в лазерном динамическом гониометре.
Метод автоматизации процесса измерения угла наименьшего отклонения, который реализован в ГПЭ показателя преломления твердых и жидких сред.
Результаты исследований лазерной гониометрической системы при бесконтактных измерениях угловых параметров движения объекта, открывающие возможности для развития метрологии угловых динамических измерений.
Контактный метод измерения угловых параметров движения больших объектов, использующий инерциальные свойства кольцевого лазера.
Практическая ценность результатов работы заключается в создании эталонных средств измерений, позволяющих обеспечить единство измерений постоянных и изменяющихся во времени угловых величин. В работе получены следующие практические результаты:
-
Разработаны и внедрены новые режимы работы ЛГС, основанные на компенсации обобщенного сдвига нуля и фильтрации сигналов, позволяющие увеличить точность угловых измерений.
-
Совместно с ФГУП «ВНИИМ им. Д.И.Менделеева» решена задача метрологического обеспечения преобразователей угла, работающих в динамическом режиме. Создан эталон единицы плоского угла при угловом перемещении твердого тела. Для МО РФ создан измерительно-вычислительный комплекс, предназначенный для автоматизированного контроля высокоразрядных цифровых преобразователей угла, прошедший государственные испытания с целью утверждения типа.
-
Совместно с ФГУП «ВНИИОФИ» решена задача построения эталона показателя преломления твердых и жидких сред с использованием лазерного динамического гониометра, реализующего автоматизированный процесс измерения угла наименьшего отклонения.
-
Создан интерференционный нуль-индикатор, задающий опорное направление в процессе угловых измерений, обладающий расширенным динамическим диапазоном и повышенной точностью.
-
Предложен и реализован метод исследования лазерного динамического гониометра для калибровки оптических призм и оптических датчиков угла, позволяющий уменьшить погрешность измерения. Проведена сертификация разработанных образцов ЛДГ в национальном институте метрологии Швейцарии (METAS) и сличение с национальным эталоном плоского угла Германии (РТВ).
-
Создан лазерный динамический гониометр-автоколлиматор, позволяющий бесконтактным способом проводить измерения параметров углового движения объекта в диапазоне углов более 20, с погрешностью не хуже 0,3 . Проведена его калибровка.
-
Создан лазерный инерциальный гониометр, измеряющий мгновенное угловое положение поворотного стола испытательного стенда, совершающего сложное угловое движение в неограниченном диапазоне угловых перемещений.
-
Создано программно управляемое устройство, которое обеспечивает регистрацию данных и ввод их в персональный компьютер для всего функционального ряда лазерных динамических систем.
На защиту выносятся следующие научные положения:
Фазо-временной метод с компенсацией обобщенного сдвига нуля устраняет влияние нестабильности скорости вращения КЛ на погрешность измерений в лазерной гониометрии.
Объединенная методика измерений ЛГС, включающая в себя компенсацию обобщенного сдвига нуля и фильтрацию шума, уменьшает погрешность измерений и приближает ее к теоретическому пределу точности измерений в лазерной гониометрии.
Комплексирование кольцевого лазера и оптического датчика угла на голографической решетке обеспечивает наивысшую точность угловых измерений и позволяет создать государственный первичный эталон единицы плоского угла.
Метод автоматизации измерения угла наименьшего отклонения с использованием ЛДГ позволяет проводить измерения показателя преломления твердых тел с погрешностью 10" .
Лазерный динамический гониометр обеспечивает калибровку датчиков угла, работающих в динамическом режиме, и многогранных призм с погрешностью менее 3-Ю"7 рад.
Лазерный динамический гониометр-автоколлиматор и лазерный инерциальный гониометр обеспечивают измерения переменного угла и служат основой для создания средств измерения переменного угла.
5 Внедрение результатов работы.
Результаты работы реализованы при создании Государственных первичных эталонов: эталона единиц линейного ускорения и плоского угла при угловом перемещении твердого тела (ГЭТ 94-01) и эталона единицы показателя преломления (ГЭТ 138-2003).
Для МО РФ создан измерительно-вычислительный комплекс, предназначенный для автоматизированного контроля высокоразрядных цифровых преобразователей угла, который в настоящее время используется в ФГУП ГосНИИАС.
Лазерный динамический гониометр для калибровки оптических призм используется в национальных метрологических институтах Италии, Испании, Китая.
Интерференционный нуль-индикатор используется в национальном метрологическом институте Германии (РТВ), в отраслевом метрологическом институте (СІМ, г. Пекин, КНР), в институте точной механики для аэрокосмической промышленности (СРЕІ, г. Пекин, КНР); входит в состав: Государственного эталона ГЭТ 94-01, измерительно-вычислительного комплекса для контроля параметров высокоразрядных преобразователей угла и ряда других углоизмерительных систем.
Лазерный динамический гониометр-автоколлиматор используется для контроля параметров углового движения сканирующего зеркала в институте космических исследований РАН и в институте спектроскопии РАН.
Стенд контроля параметров вращательного движения внедрен в институте точной механике для аэрокосмической промышленности (СРЕІ, г. Пекин, КНР).
Апробация работы. Результаты работы докладывались на: международных конференциях:
Symposium Gyro Technology Stuttgart, 1991, 2001, 2003; 2007.
Int.Conf. on Gyroscopic technology and navigation, 1995, 1998, 2001, 2002.
Межд.конф. по электромеханотронике, СПб., 1997.
3rd Soviet-Chines Gyro Technolog symposium Nanjing, 1992.
3rd Intern. IMEKO Symp. "Laser metrology for Precision Measurement", Heidelberg, 1994.
International Conf. on Ultraprecision Engineering Braunschweig, Germany, 1997.
Conference of Integrated Navigation Systems, Beijing, November, 1998.
EUSPEN international conference, Turin, May 2001; Glasgow, May-June, 2004.
Optical Measurement Systems for Industrial Inspection III, Munich, Germany, June 2003.
Международный научный конгресс «Гео-Сибирь 2005».
Российских конференциях:
III ВНТК "Прим. Лазеров", Таллинн, 1987.
XXII межотраслевой научно-технической конференции памяти Н.Н. Острякова, СПб., 2000, 2002.
7th Symposium on Laser Metrology, Novosibirsk, Russia, September 2002.
Международной научно-технической конференции «Наука, образование и общество в 21 веке», СПб., 2006.
Профессорско-преподавательских конференциях СПбГЭТУ (ЛЭТИ).
Семинарах: РТВ - 2007; ВНИИМ - 2003; ГосНИИАС - 2003.
Участие в выставках научно-технических достижений:
The International Optoelectronics Exhibition, Interopto, Japan, 2004.
The International Fair Factory Automation, Asia, 2005.
2n International Precision Engineering, Machine Tools and Metalworking Exhibition, MTA Vietnam, 2006.
Метрология 2008, Москва, ВВЦ.
Личный вклад автора. Автором предложены: фазо-временной метод измерений, обобщенная методика измерений, автоматизированный метод измерения угла наименьшего отклонения, методики исследований ЛГС; проведены экспериментальные исследования и математическое моделирование. В работах, выполненных в соавторстве, автору принадлежит постановка задач экспериментальных исследований, интерпретация результатов и формулировка общих закономерностей.
Публикации. Автор по теме диссертационной работы имеет 47 научных публикаций, включая 23 статьи (из них - 14 работ опубликованы в рецензируемых журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России) и 24 публикации - в материалах международных и всероссийских научно-технических конференций и симпозиумов, 2 авторских свидетельства и 1 патент на изобретение РФ.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, одного приложения и списка цитируемой литературы, включающего 117 наименований. Диссертация изложена на 293 страницах машинописного текста. Работа содержит 95 рисунков и 27 таблиц.
