Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор методов и средств, применяемых для определения метрологических характеристик эталонных лент и современных лазерно-интерференционных систем для измерений геометрических величин 11
1.1. История создания компараторов для поверки эталонных измерительных лент 11
1.1.1. Тридцатиметровый интерференционный компаратор ВНИИМ 13
1.1.2. Стенной оптико-механический компаратор ВНИИМ .
1.2. Компараторы ведущих зарубежных метрологических институтов 17
1.3. Обзор современных высокоточных лазерно-интерференционных систем для измерений геометрических величин 34
1.4. Обзор современных средств измерений уровня 37
1.5. Выбор направления совершенствования Государственного первичного эталона единицы длины - метра ГЭТ 2-85 41
Выводы по главе 1 43
Глава 2. Состав тридцатиметрового лазерного интерференционного компаратора 44
2.1. Состав Государственного первичного эталона единицы длины - метра
ГЭТ 2-2010 44
2.2. Лазерная измерительная система компаратора 48
2.3. Оптико-механическая система компаратора
2.3.1. Прецизионные направляющие и юстируемые опоры 50
2.3.2. Каретка и электропривод 53
2.3.3. Устройства для исследований современных высокоточных средств измерений з
2.3.4. Система определения центров штрихов эталонных измерительных лент 57
2.3.5. Система для крепления и натяжения эталонных измерительных лент. 58
2.4. Система измерений параметров окружающей среды и температуры измеряемого объекта 59
2.5. Краткое описание программного обеспечения 60
2.5.1. Передача единицы длины от компаратора лазерным координатно-измерительным системам 60
2.5.2. Передача единицы длины от компаратора эталонным измерительным лентам
2.5.2.1. Окно «Интерферометр» 63
2.5.2.2. Окно «Параметры» 65
2.5.2.3. Измерения методом компарирования 66
2.5.2.4. Окно «Результаты измерений» 67
Выводы по главе 2 68
Глава 3. Источники погрешности измерений длины с помощью тридцатиметрового лазерного интерференционного компаратора 69
3.1. Уравнения измерений с помощью компаратора 69
3.2. Исследования стабильности и воспроизводимости частоты (длины волны в вакууме) излучения лазерной измерительной системы
3.3. Погрешность определения поправки для приведения полученной длины интервала эталонной измерительной ленты к температуре 20 С 83
3.4. Исследование характеристик направляющих и каретки компаратора с целью определения ошибки Аббе
3.4.1. Ошибка Аббе при измерении эталонных измерительных лент 91
3.4.2. Ошибка Аббе при исследованиях и поверке лазерных интерферометров и лазерных координатно-измерительных систем 92
3.4.3. Ошибка Аббе при поверке уровнемеров 94
3.4.4. Погрешность определения поправки, связанной с ошибкой Аббе 95
3.5. Погрешность определения поправки, связанной с ошибкой, вызванной отклонением от параллельности между осью лазерного луча компаратора и осью измеряемого объекта 96
3.6. Погрешность определения поправки, связанной с натяжением эталонных измерительных лент и влиянием силы трения 98
3.7. Определение влияния параметров окружающей среды на погрешность измерений 101
3.7.1. Погрешность определения поправки при использовании формулы Эдлена для расчета показателя преломления окружающей среды 102
3.7.2. Погрешность определения показателя преломления при использовании лазерного рефрактометра 104
3.8. Погрешность определения центра штриха 106
3.9. Неисключенная систематическая погрешность компаратора 107
Выводы по главе 3 110
Глава 4. Результаты исследований метрологических характеристик современных высокоточных средств измерений 111
4.1. Результаты экспериментальных исследований лазерной координатно измерительной системы API ТгаскегЗ 111
4.2. Результаты экспериментальных исследований эталонной измерительной ленты длиной 24 м 116
4.3. Пути дальнейшего совершенствования компаратора 120
Выводы по главе 4 121
Заключение 122
Список литературы
- Обзор современных высокоточных лазерно-интерференционных систем для измерений геометрических величин
- Оптико-механическая система компаратора
- Исследования стабильности и воспроизводимости частоты (длины волны в вакууме) излучения лазерной измерительной системы
- Результаты экспериментальных исследований эталонной измерительной ленты длиной 24 м
Введение к работе
Актуальность проблемы
В настоящее время в мире наблюдаются постоянный рост требований к повышению точности измерений длины и расширение номенклатуры средств измерений. Появились такие современные высокоточные средства измерений, как прецизионные и промышленные лазерные интерферометры, лазерные сканеры, лазерные координатно-измерительные системы и т.п. Данные средства измерений применяются для решения множества научных задач, а также используются в ряде важнейших отраслей национальной промышленности – аэрокосмической, энергетической, оборонной, микроэлектронной, автомобильной и в машиностроении. Используемые ранее для передачи единицы длины эталонным измерительным лентам (далее эталонные ленты) оптико-механические и интерференционные компараторы не могут обеспечить требуемую в современных условиях точность измерений. К тому же их конструкция не позволяет исследовать лазерные интерферометры, лазерные координатно-измерительные системы и т.п. Таким образом, для Государственного первичного эталона единицы длины – метра должен быть разработан компаратор, метрологические характеристики и конструкция которого обеспечивают передачу единицы современным высокоточным средствам измерений.
Цель работы
Целью данной диссертационной работы является разработка и исследование современного тридцатиметрового лазерного интерференционного компаратора для Государственного первичного эталона единицы длины – метра
ГЭТ 2-2010 (далее ГЭТ 2-2010) для исследования и определения метрологических характеристик современных высокоточных лазерных интерферометров, лазерных сканеров, лазерных координатно-измерительных систем, средств измерений уровня из состава измерительно-управляющих систем для коммерческого учета и управления резервуарными парками в нефтегазовой отрасли и других средств измерений, а также поверки эталонных лент. Исследования включают комплексный анализ источников составляющих погрешности компаратора, а также определение наиболее существенных источников погрешности с целью создания методов, технических средств и решений, позволяющих повысить точность передачи единицы длины.
Задачи исследования
Для достижения поставленной цели следует решить ряд задач:
провести анализ многолетнего опыта ВНИИМ и современных измерительных возможностей ведущих зарубежных метрологических институтов, таких как METAS (Швейцария), PTB (Германия), BEV (Австрия), MIKES (Финляндия) и других, на примере международных сличений, с целью разработки и исследований современного тридцатиметрового лазерного интерференционного компаратора для ГЭТ 2-2010;
разработать структуру построения современного тридцатиметрового лазерного интерференционного компаратора для ГЭТ 2-2010, позволяющего расширить его диапазон до 30 м и достичь среднего квадратического отклонения (далее СКО) передачи единицы в данном диапазоне не превышающего 5 мкм;
разработать методики, которые позволят провести исследования основных источников погрешности компаратора с целью уменьшения их влияния. Определить неисключенную систематическую погрешность компаратора (далее НСП);
с целью определения случайной и суммарной погрешности передачи единицы провести экспериментальные исследования с помощью компаратора современных высокоточных средств измерений, например, лазерной координатно-измерительной системы API Tracker3 фирмы «Automated Precision Inc.» (США).
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что:
разработан и создан новый современный тридцатиметровый лазерный интерференционный компаратор;
разработана методика контроля длины волны в вакууме He-Ne лазера лазерной измерительной системы компаратора по входящему в состав ГЭТ 2-2010 источнику эталонного излучения VNIIM2 – He-Ne/I2 лазеру, стабилизированному по линии насыщенного поглощения в молекулярном йоде 127, что позволило повысить точность измерений длины волны в вакууме на порядок;
разработан и применен метод автоматической компенсации ошибки Аббе с целью уменьшения погрешности измерений, основанный на использовании высокоточного цифрового двухкоординатного автоколлиматора;
существенно расширены функциональные возможности ГЭТ 2-2010, что позволило метрологически обеспечить на территории РФ передачу единицы длины не только эталонным лентам, но и новейшим высокоточным лазерным интерферометрам, лазерным сканерам, лазерным координатно-измерительным системам, уровнемерам, работа которых основана на различных физических принципах действия, и другим средствам измерений.
Практическая ценность работы
Практическая ценность диссертационной работы состоит в следующем:
компаратор введен в установленном порядке в состав ГЭТ 2-2010. Приказ об утверждении Государственного первичного эталона единицы длины – метра № 5377 от 23 декабря 2010 г. Работа выполнялась в рамках программы «Совершенствование государственного эталона единицы длины ГЭТ 2-85». Основанием для выполнения работы являлись приказ Минпромэнерго России от 24 января 2008 года № 23 и приказ Ростехрегулирования от 28 апреля 2008 года № 1281;
разработан и утвержден новый национальный стандарт Российской Федерации ГОСТ Р 8.763-2011 «Государственная система обеспечения единства измерений. Государственная поверочная схема для средств измерений длины в диапазоне от 110-9 до 50 м и длин волн в диапазоне от 0,2 до 50 мкм», отвечающий современным требованиям промышленности;
результаты исследований созданного компаратора использованы для конструкторской разработки серийного варианта компараторов для оснащения центров стандартизации и метрологии Российской Федерации, а также ведущих предприятий важнейших отраслей национальной промышленности;
с помощью компаратора проведен ряд экспериментальных исследований новейших высокоточных средств измерений, таких как лазерные интерферометры, лазерные координатно-измерительные системы, уровнемеры, работа которых основана на различных физических принципах действия;
проведены теоретические и экспериментальные исследования источников погрешности компаратора, послужившие основой для разработки методов и определения путей дальнейшего совершенствования конструкции компаратора с целью повышения точности передачи единицы длины.
Результаты работы внедрены в ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева», в
РГП «Казахстанский институт метрологии» (КазИнМетр, Казахстан), в ФГКУ «ГНМЦ» Минобороны России.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
структура построения и особенности конструкции основных узлов созданного тридцатиметрового лазерного интерференционного компаратора, позволяющие обеспечить передачу единицы в диапазоне до 30 м с СКО передачи единицы в данном диапазоне не более 5 мкм;
результаты теоретических и экспериментальных исследований основных источников погрешности компаратора;
результаты экспериментальных исследований современных высокоточных средств измерений, подтверждающие расширение функциональных возможностей ГЭТ 2-2010.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
Х Международном научно-техническом семинаре «Разработка, производство, применение и метрологическое обеспечение средств измерений давления и вакуума», г. Санкт-Петербург, 2006 г.;
XXI Национальном научном симпозиуме «Метрология и метрологическое обеспечение», г. Созополь (Болгария), 2011 г.;
Всероссийской конференции «Метрология и стандартизация нефтегазовой отрасли 2011», г. Санкт-Петербург, 2011 г.;
Второй Всероссийской конференции «Метрология и стандартизация нефтегазовой отрасли 2012», г. Санкт-Петербург, 2012 г.;
6-м Международном симпозиуме «Метрология времени и пространства», Менделеево, Московская обл., 2012 г.;
семинарах отдела геометрических измерений ФГУП «ВНИИМ им.
Д.И. Менделеева».
Публикации
По теме диссертационной работы опубликовано 7 научных работ, в том числе 3 в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы из 57 наименований и 4 приложений. Общий объем работы составляет 138 страниц, включая 48 рисунков и 19 таблиц.
В диссертационной работе изложены и обобщены результаты работы, выполненной в период с 2006 по 2013 гг.
Обзор современных высокоточных лазерно-интерференционных систем для измерений геометрических величин
Ранее при решении ряда задач в науке и промышленности для передачи единицы длины в диапазоне (0-30) м широко использовались эталонные ленты, а также измерительные металлические рулетки 2-го и 3-го классов точности [1]. Для исследования метрологических характеристик, поверки и калибровки данных средств измерений в центрах стандартизации и метрологии, а также на ведущих предприятиях национальной промышленности используются оптико-механические и интерференционные компараторы.
Практическая возможность применения световой волны для измерения длины впервые была доказана в работах Майкельсона и Бенуа, которые в 1892 г. измерили метр в длинах волн красной линии кадмия. Спустя несколько лет появились плитки Иогансона (плоскопараллельные концевые меры длины), и интерференция света стала основным средством для контроля их качества и измерения их действительной длины в процессе производства. Это обстоятельство в значительной степени определило дальнейшее направление и развитие интерференционного метода измерения длины. 11-ая Генеральная конференция по мерам и весам в 1927 г. на основании работ Бенуа, Фабри и Перо рекомендовала в качестве естественного эталона метра — длину волны красной линии кадмия [2]. Плоскопараллельные концевые меры длины получили широкое распространение и стали основным видом мер, с помощью которых осуществлялась передача от эталонных средств измерений к рабочим. Интерферометры для измерений концевых мер длины постоянно совершенствовались.
Но потребности науки и производства не исчерпывались полностью плоскопараллельными концевыми мерами длины, наряду с ними использовались и штриховые меры длины. С развитием приборостроительной и станкостроительной промышленностеи существенно изменилась роль штриховых мер и значительно возросли требования к точности их изготовления и определения действительной длины интервалов. Сначала интерференционные методы для измерения штриховых мер не применялись. Это привело к тому, что в метрологии передача единицы длины осуществлялась через штриховые и концевые меры раздельно, различными методами и с различной точностью. Интерференционный метод не применялся для измерений штриховых мер длины в связи со следующими причинами: - на первом этапе развития интерференционного метода измерения длины качество большинства штриховых мер еще не оправдывало применения для их измерений высокоточного метода; - отсутствовали средства визирования штрихов с такой точностью, которая была бы соизмерима с точностью интерференционных измерений; - отсутствовали монохроматические источники света с большой разностью хода; - применение интерференционного метода для измерений длины штриховых мер представляло собой технически более сложную задачу, чем для измерений концевых мер. Требования, выдвинутые внедрением новой техники, поставили перед метрологией цель изыскать новые методы и средства для значительного повышения точности измерения штриховых мер длины.
Особую задачу представляло измерение штриховых мер длиной несколько десятков метров. Первые работы по разработке интерференционных компараторов для измерений мер длиной несколько десятков метров были начаты в 1920-х годах. Первые успешные результаты в решении этой задачи были получены финским ученым Вейселе. В последствии в России, Германии, Японии и других странах были разработаны несколько типов интерференционных компараторов. В них применялся тот или иной относительный метод измерения, при котором, используя интерференцию, большие длины сравнивались с находящимися с ними в кратных отношениях малыми длинами путем оптического сложения или умножения расстояний между зеркалами. В России первые такие интерференционные компараторы были разработаны и изготовлены во ВНИИМ и ЦНИИГАиК Г.В. Варлихом и У.О. Шварцем в 1930-х годах. Схему первого 24-метрового компаратора предложил в 1932 г. Г.В. Варлих. Она была основана на принципе Вейселе. В 1936 г. У.О. Шварц предложил новую и оригинальную дифференциальную схему 24-метрового компаратора [3].
Метод измерения на тридцатиметровом интерференционном компараторе ВНИИМ [4, 5] был основан на принципе оптического умножения длины исходной меры по дифференциальной схеме У.О. Шварца. В этом методе последовательно оптически умножают два разных расстояния, кратность умножения которых отличается друг от друга на единицу. Для определения длины компаратора необходимо было знать лишь разность исходных расстояний. Эта разность представлялась в виде ступенчатой концевой меры — кварцевого жезла, длина которого должна была быть прослеживаема к эталону единицы длины [6].
Схема компаратора приведена на рисунке 1.1. Основными его элементами являлись зрительная труба 1 и коллиматор 2, трубчатый кварцевый жезл с притертыми к нему зеркалами на подставке 6, два зеркала 4 и 9, а также отсчетные микроскопы 3, 5, 7 и 8.
Оптико-механическая система компаратора
В состав системы для крепления и натяжения эталонных лент входят: - специальные приспособления для закрепления концов измеряемых эталонных лент на компараторе; - набор гирь, обеспечивающих рабочее натяжение эталонных лент и измерительных металлических рулеток при измерении. Номинальная масса используемых гирь выбирается в соответствии с технической документацией [25] и описанием типа средства измерений. Номинальные массы гирь: 10 кг, 5 кг, 2 кг, 1 кг, 0,7 кг, 0,4 кг. Действительные массы гирь были определены в лаборатории госэталонов в области измерения массы и силы ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева». В соответствии с нормативно-технической документацией [26] допускаемое отклонение действительной массы гирь при измерениях рулеток с кольцом на вытяжном конце не должно превышать ± 10 % от номинальной массы, для рулеток с грузом - ±5 %; - тросы, используемые для крепления грузов к концам эталонных лент или рулеток; - специальный блок, установленный в конце направляющих и служащий для уменьшения силы трения. 2.4. Система измерений параметров окружающей среды и температуры измеряемого объекта Длина волны Я лазерного излучения лазерной измерительной системы, использованной в компараторе, зависит от показателя преломления окружающей среды, в которой оно распространяется где п - показатель преломления окружающей среды; с — скорость света в вакууме; v - частота лазерного излучения.
В зависимости от измеряемого объекта показатель преломления воздуха определяется по формуле Эдлена или с помощью рефрактометра.
При измерении эталонных лент используется формула Эдлена. Эта эмпирическая формула впервые была опубликована Эдленом в 1966 г. [27]. И позднее несколько раз уточнялась [28-33]. Данная формула устанавливает зависимость показателя преломления воздуха от таких влияющих факторов, как температура, давление и относительная влажность воздуха, а также от концентрации углекислого газа (ССЬ). Поскольку показатель преломления воздуха зависит от перечисленных выше влияющих факторов, то необходима коррекция вызванного колебаниями параметров окружающей среды изменения длины волны лазерного излучения, используемой для вычисления расстояний компаратором.
С целью определения показателя преломления окружающей среды по формуле Эдлена используется система измерений параметров окружающей среды. В состав данной системы входят: - четыре измерителя температуры с платиновыми терморезисторами, равномерно распределенными вдоль компаратора; - барометр типа БРС-1М-2; - измеритель влажности и температуры ИВТМ-7 М.
Все средства измерений, используемые для контроля параметров окружающей среды, внесены в Государственный реестр средств измерений РФ.
При исследованиях и поверках лазерных сканеров, лазерных координатно-измерительных систем, интерферометров и других высокоточных средств измерений для определения показателя преломления окружающей среды используется лазерный рефрактометр.
Программное обеспечение служит для автоматизации управления основными функциями компаратора, сбора измерительной информации и ее обработки. Использование данного программного обеспечения позволило существенно упростить процесс измерений, значительно повысить точность и сократить время проведения измерений (в четыре раза).
Для передачи единицы длины от компаратора лазерным координатно-измерительным системам применяется разработанная программа «T2I». Программа обеспечивает ввод параметров окружающей среды, в том числе с измерителей температуры, расположенных вдоль компаратора, одновременное снятие отсчетов компаратора и лазерной координатно-измерительной системы, накопление и усреднение отсчетов, а также управление приводом каретки с отражателем лазерной координатно-измерительной системы. Главное окно программы (рисунок 2.14) содержит панели, в которых отображаются отсчет интерферометра лазерной измерительной системы компаратора и лазерной координатно-измерительнои системы. При запуске программы интерфейсные приложения Renishaw WinCapt и ТгаскегЗ запускаются автоматически, осуществляют подключение и начинают передавать данные. Для удобства работы, на панель лазерной координатно-измерительнои системы также вынесена кнопка «Домой», возвращающая лазерную координатно-измерительную систему в «домашнее» положение после потери луча.
Главное окно программы также содержит панель для ввода параметров окружающей среды (рисунок 2.15). Кнопка Л осуществляет ввод данных с измерителей температуры и коррекцию показателя преломления, необходимую для работы компаратора. После ручного ввода давления и влажности окружающей среды, новое значение показателя преломления может быть вычислено нажатием кнопки "
Панель управления приводом каретки (рисунок 2.16) содержит окно для ввода желаемого перемещения, кнопок пуска для обоих направлений движения ЛІ и J и кнопку аварийной остановки ]. Отрицательные значения, указанные в окне перемещения, изменяют направления движения на противоположные. Кнопка подключить в нормальном режиме работы программы отсутствует, так как подключение к контроллеру двигателя также осуществляется в начале работы автоматически. Кнопка появляется лишь в случае, если такое подключение не удалось, например, если контроллер был выключен. Управление перемещением Подключить х
В панели измерений находится кнопка 1 Измеригь I, которая запускает серию синхронных отсчетов компаратора и лазерной координатно-измерительной системы. Продолжительность серии задается в файле данных программы. Во время измерения производится накопление разностей одновременных отсчетов (так как компаратор и система расположены по разные стороны каретки, отсчет компаратора меняет знак на противоположный). Одновременное снятие отсчетов позволяет уменьшить влияние остаточного движения каретки и повысить точность измерений. В процессе измерений на панель выводится текущее значение разности, после завершения измерения - среднее значение и его СКО.
Исследования стабильности и воспроизводимости частоты (длины волны в вакууме) излучения лазерной измерительной системы
Одно из требований для правильной работы компаратора заключается в соблюдении параллельности между осью лазерного луча компаратора и осью измеряемого объекта. В противном случае будет иметь место так называемая косинусная ошибка [20, 24]. Данная ошибка возникает вследствие того, что изменение разности хода интерферирующих пучков не будет соответствовать перемещению каретки с микроскопом от начального до конечного штрихов эталонной ленты или от начальной до конечной точек при перемещении подвижного призменного отражателя исследуемого лазерного интерферометра или лазерной координатно-измерительной системы (рисунок 3.14). Уменьшения данной ошибки возможно добиться путем тщательной настройки параллельности осей. Для этой цели используется мишень, на которой наблюдается расположение центра пятна лазерного луча при перемещении каретки.
Из рисунке 3.14 видно, что поправка, связанная с ошибкой от несоблюдения при юстировке параллельности между осями лазерного луча компаратора и осью измеряемого объекта, определится разностью между длинами гипотенузы LT и большого катета LK при данном угле /? Ccos = Lr-LK = Lr-Lr- cos(S = L y, (3.19) где L - номинальная длина измеряемого интервала. Погрешность при определении данной поправки будет обусловлена погрешностями при измерении угла /?. Если НСП /3 задана границами &р, то границы НСП при вычислении поправки Ccos (без учета знака) будут равны 0ccos= -&p- (3.20) Продифференцировав уравнение (3.19) можем записать уравнение (3.20) в следующем виде 0Ccos=p-L-e0. (3.21)
Максимальный сдвиг центра пятна лазерного луча на мишени при перемещении каретки на 30 м составил 1 мм, что соответствует углу между осью лазерного луча компаратора и осью измеряемого объекта /? = 7 угловых секунд. Следовательно, при р = 1 угловая секунда границы НСП определения поправки Ccos (без учета знака) равны 0ccos= 1 7" Ю"10/,, где L - измеряемая длина, м.
Данная погрешность будет пренебрежимо мала по сравнению с основными погрешностями, вызываемыми другими влияющими факторами. Как видно из таблицы 1.3, практически все лаборатории метрологических институтов стран-участниц сличений EUROMET.L-S14 (проект 677) не учитывали ее влияния при измерениях, считая ее пренебрежимо малой, и не указывали ее в бюджете неопределенностей. 3.6. Погрешность определения поправки, связанной с натяжением эталонных измерительных лент и влиянием силы трения
При измерениях эталонных лент гири обеспечивают рабочее натяжение. Под влиянием силы натяжения происходит упругая деформация измеряемой эталонной ленты. Изменение длины эталонной ленты в результате упругой деформации определяется по формуле CF= S, (3-22) где F - сила, деформирующая эталонную ленту; L - длина деформируемой эталонной ленты; Е - модуль упругости (модуль Юнга), характеризующий свойства материала эталонной ленты сопротивляться деформации (растяжению/сжатию). Модуль Юнга для стали Е = 2,06-105 Н/мм2; S - площадь поперечного сечения эталонной ленты. Так как эталонная лента при измерениях располагается на плоском алюминиевом профиле, то сила F, деформирующая эталонную ленту, равна разности силы натяжения F# и силы трения FT, FH = msg, (3.23) где т, — масса гири; g — ускорение свободного падения. FT = fi-N = n-m„-g, (3.24) где /л - коэффициент трения, который определяется материалами, из которых изготовлены поверхности взаимодействующих тел - измеряемой эталонной ленты и опоры для нее; N- сила реакции опоры; тл - масса измеряемой эталонной ленты. Таким образом, можно переписать уравнение (3.22) в следующем виде с FH±_Fjr± ( }
Была предварительно проведена оценка значения силы трения по формуле (3.24). Расчет производился для эталонной ленты длиной 30 м с площадью поперечного сечения 3,5 мм2. Масса эталонной ленты составляет 0,74 кг, коэффициент трения стали по алюминию цса = 0,18, ускорение свободного падения g = 9,8 м/с2. Сила трения при измерениях данной эталонной ленты составит 1,3 Н. Данные предварительного расчета были экспериментально подтверждены с помощью набора гирь. Следовательно, изменение длины, вызванное действием силы трения, на 30 м составляет 54 мкм.
С целью уменьшения влияния силы трения, на плоский алюминиевый профиль была наклеена тефлоновая лента, т.к. коэффициент трения стали по тефлону цст = 0,04, что в 4,5 раза меньше коэффициента трения стали по алюминию.
Был проведен предварительный расчет силы трения при измерениях такой же эталонной ленты длиной 30 м, но с учетом нового материла опорной поверхности - тефлона. Сила трения при измерениях данной эталонной ленты должна была составить 0,29 Н, что было подтверждено экспериментально. Следовательно, вызванное силой трения изменение длины на 30 м составляет 12 мкм. Следует отметить, что в соответствии с формулой (3.24) изменение длины, вызванное действием силы трения, будет зависеть от длины измеряемого
Результаты экспериментальных исследований эталонной измерительной ленты длиной 24 м
В компараторе в качестве приемника изображения используется ПЗС-матрица видеомикроскопа, установленного на каретке. От нее информационный сигнал передается по радиоканалу приемнику радиосигнала. После этого он поступает на модуль видеозахвата и передается системе обработки изображений. Система обработки автоматически определяет центр штриха. Алгоритм вычисления центра штриха следующий.
Основную область окна «Интерферометр» занимает изображение штрихов.
Для вычисления положения штриха используется не вся область изображения, а только выделенная оператором прямоугольная область - окно. При измерении начального штриха, его положение можно принять за начало отсчета.
В каждой строке изображения по заданному уровню интенсивности определяются границы штриха, внутри них производится определение центра «тяжести». По найденным в каждой строке центрам методом наименьших квадратов строится аппроксимирующая прямая и по ней вычисляется координата центра штриха. Подобная процедура проводится для различных значений границ, заданных разными уровнями интенсивности. Результаты отдельных вычислений усредняются с отбрасыванием значений, выходящих за З СКО.
Ширина штриха различных средств измерений может составлять от нескольких микрометров до сотен микрометров. Например, ширина штриха штриховых мер длины находится в диапазоне (2-5) мкм, ширина штриха эталонных измерительных лент 2-го разряда - от 40 до 60 мкм, а эталонных измерительных лент 3-го разряда — от 150 до 250 мкм [25]. Качество штрихов тоже может быть различным и зависит от материала, из которого изготовлено средство измерений, а также от способа нанесения штрихов. Относительная погрешность определения центра штриха обычно составляет от 110"J до 5-Ю"3. Значение погрешности зависит от ряда факторов, таких как увеличение объектива видеокамеры, равномерность освещения поля зрения, чистота штрихов и т.п.
Таким образом, при измерении эталонной ленты границы НСП определения центра штриха будут составлять Qic = 0,05 мкм.
На основании приведенного анализа источников возникновения систематической погрешности, рассмотрения возможности минимизации данной погрешности путем введения поправок и определения границ погрешностей, вызванных их введением, можно выделить следующие составляющие НСП компаратора (таблица 3.6). Составляющие погрешности Значение погрешности при исследованиях лазерных интерферометров и лазерных координатно-измерительных систем эталоннойизмерительнойленты 1 2 3 Погрешность определения длины волны в вакууме, вКпг 510"9Л 5 10"91 Погрешность определения поправки для приведения полученной длины интервала эталонной ленты к температуре 20 С, - 5,75 10 7L Погрешность определения поправки, связанной с ошибкой Аббе, 6г... 0,0002 мкм 0,011 мкм Погрешность определения поправки, связанной с ошибкой из-за отклонения от параллельности между осью лазерного луча компаратора и осью измеряемой объекта, 6г 1,7-10"10-L 1,7 10"I0Z. Погрешность определения поправки, связанной с натяжением эталонных лент и влиянием силы трения, врт - 1,39 10"8Z Погрешность определения поправки при использовании формулы Эдлена для расчета показателя преломления окружающей среды, &ntpf - 7,410"8L Погрешность определения показателя преломления при использовании лазерного рефрактометра, вщ 910"9Z Погрешность определения центра штриха,01с - 0,05 мкм Примечания - значения приведены для эталонной ленты из углеродистой стали, ТКЛР которой равен 11,5-10" С" , площадь поперечного сечения 3,5 мм2, модуль Юнга для стали Е = 2,06-105 НУмм2; -L- измеряемая длина, м. Доверительные границы НСП компаратора при исследованиях лазерных интерферометров и лазерных координатно-измерительных систем 0(Р) (без учета знака) при вероятности Р будут равны W = VJ + 0cAbbe2 + QcJ + Qntpf\ (3.39) где к - коэффициент, определяемый выбранной доверительной вероятностью Р, числом составляющих НСП и их соотношением. При доверительной вероятности Р=0,99 и числе составляющих НСП равном четыре к=\,А. Следовательно, 0(0,99) = 1,4 7(0,0002 мкм)2 + (0,0103 Ю"6 Z,)2, где L - измеряемая длина, м. СКО НСП компаратора при исследованиях лазерных интерферометров и лазерных координатно-измерительных систем определяется по формуле
