Введение к работе
- 3-
Актуальность работы
Одной из важнейших задач, решаемых измерительной техникой, является измерение угловых величин и, в частности, определение взаимной угловой ориентации разнесенных в пространстве объектов. В наиболее общем: случае необходимо измерение трех угловых координат объекта.
При трехкоординатных измерениях ось, совпадающая с линией, соединяющей угломер и контролируемый объект, называется осью скручивания, а две другие — коллимационными осями (углы поворота относительно указанных осей, соответственно, углами скручивания и коллимационными углами).
Угловое положение объекта определяется пространственным поворотом координатной системы жестко связанной с контролируемым объектом (подвижной), относительно другой системы координат, связанной с базовым объектом (неподвижной). Конкретные примеры решения задачи определения угловой пространственной ориентации объектов:
-
Измерение угловых деформаций при контроле состояния и изучении свойств конструкций или материалов. В первую очередь речь идет о мониторинговых наблюдениях за состоянием крупногабаритных объектов енергетики и промышленности (фундаменты АЭС, плотины ГЭС, несущие конструкции нефтяных емкостей), от устойчивой и безаварийной работы которых зависит экологическое благополучие на огромных пространствах.
-
Измерение угловых деформаций основания, на котором установлен ряд измерительных приборов, с целью введения поправок в
измеряемые величины.
-
Измерение поворотов контролируемого объекта относительно трех ортогональных осей для последующего выставления объекта в необходимое угловое положение.
-
Определение угловой пространственной ориентации при сборке, юстировке и последующей эксплуатации высокоточного оборудования: авиационных и корабельных стапелей, координатных стендов, наземных радиотелескопов, ускорителей заряженных частиц.
Для реализации столь многообразных потребностей необходимо наличие углоизмерительных приборов как с большими диапазоном измеряемых величин и дистанцией работы при средних требованиях к точности измерения, так и высокоточных угломеров со средним диапазоном контролируемых углов. Указанные задачи могут быть решены трехкоординатными оптико-электронными угломерами.
Для большинства из перечисленных задач предпочтительно проводить измерения по автоколлимационной схеме, когда на контролируемом объекте устанавливается только контрольный элемент (КЭ), а. на базовом объекте устанавливается приемно-излучающее устройство (автоколлиматор). Такая схема построения углоизмерительных приборов является одной из наиболее распространенных, что объясняется высокой точностью и универсальностью метода, а также простотой технической реализации.
Важным преимуществом автоколлимационных угломеров (АКУ) является тот факт, что они обеспечивают бесконтактное измерение координат объекта, что делает их незаменимыми в случае, когда установка на контролируемом объекте излучателей и приемников, а также
обеспечение электрических связей с ним нежелательно или невозможно.
Основными тенденциями развития ангоколлимационных угломеров являются создание многофункциональных устройств с повышенными точностными характеристиками, расширение диапазона проводимых измерений и снижение трудоемкости контрольно-юстировоч-ных операций при подготовке прибора к работе. Таким образом, возникает необходимость разработки принципов действия и методов расчета трехкоординатных высокоточных АКУ, позволяющих одновременно и независимо проводить измерения углов коллимации 9l, 02 и угла скручивания Оз. Приведенная приборная погрешность должна быть не более Ю-4, при широком (до 5.. .10) диапазоне измеряемых углов.
На современном уровне развития оптического и оптико-электронного приборостроения достижение таких точностных показателей возможно при использовании в АКУ специальных КЭ, а также при применении в качестве приемников оптического излучения многоэлементных позиционно-чувствительных матричных фотоприемников на основе ПЗС. Наряду с высококачественной элементной базой при обработке изображений в плоскости анализа прибора должны применяться высокоэффективные алгоритмы обработки информации, обеспечивающие необходимую точность вычислений.
В настоящее время практически отсутствуют многокоординатные АКУ с указанными метрологическими свойствами.
Цель и задачи работы
Целью работы является разработка принципов построения и методов расчета параметров и характеристик трехкоординатных оптико-
электронных автоколлимационных углоизмерительных устройств геометрического типа с повышенной точностью измерения и расширенными метрологическими возможностями.
Поставленная цель достигается следующими путями:
-
Сравнительным анализом отражающих систем разных типов: плоского и двугранного зеркала, триэдрических и тетраэдриче-ских ретрорефлекторных КЭ с различным количеством внесенных отклонений от прямых двугранных углов между гранями, триэдрических и тетраэдрических КЭ с неплоскими гранями.
-
Систематизацией КЭ на базе триэдров по их метрологическим и функциональным параметрам и возможностям. Выделение классов ретрорефлекторных КЭ, применимых для трехкоординатных измерений при независимости определения углов коллимации и угла скручивания.
-
Исследованием поведения ортов отраженных пучков для КЭ с коническими гранями в исходным положении (без угловых поворотов КЭ) и при различной пространственной ориентации криволинейной грани КЭ.
-
Анализом поведения отраженных пучков при наличии угловых поворотов КЭ с конической отражающей гранью, определением и оптимизацией их матриц действия.
-
Расчетом распределения облученности в изображении, формируемом в плоскости анализа АКУ на базе КЭ с конической отражающей гранью.
-
Анализом возможных алгоритмов обработки изображений, формируемых КЭ с конической гранью в плоскости анализа автоколлимационного угломера геометрического типа.
-
Анализом метрологических характеристик автоколлимационных угломеров геометрического типа, использующих тетраэдриче-ские КЭ с коническими отражающими поверхностями.
-
Проектированием, разработкой и машинной реализацией имитационной математической модели работы аптоколлимационных угломеров геометрического типа с правильными и неправильными триэдрическими КЭ, а также с цилиндрическими и коническими гранями разной пространственной ориентации.
-
Эксперимепталыгыми исследованиями КЭ с конической гранью на базе созданного макета аптоколлимационного угломера.
Новые научные результаты и основные положения, выносимые на защиту.
1, Расширение метрологических возможностей трехкоординатных
АКУ, а именно, увеличение диапазона измеряемых углов при
уменьшении погрешности измерения, что достигается использо
ванием в качестве КЭ отражательной системы в виде полого зер
кального триэдра или стеклянного тетраэдра, одна из граней
которого является конической.
2. При использовании КЭ с конической гранью, образующая ко
торой лежит в плоскости одной из граней тетраэдра и образует
равные углы с двумя ребрами тетраэдра, ограничивающими эту
грань, может быть построен АКУ на основе многоэлементного
матричного фотоприемника, реализующий измерение всех трех
угловых координат контролируемого объекта и не накладыва
ющий свойственных другим классам КЭ геометрического типа
ограничений на расстояния между объективом угломера и КЭ.
-
Методика расчета параметров трехкоординатного АКУ с расширенным диапазоном измеряемых углов поворота и увеличенной точностью измерений.
-
Алгоритмы обработки формируемых в фокальной плоскости АКУ изображений, пригодные для реализации на микроЭВМ, сопрягаемой с угломером.
Практические результаты. Автором разработаны
-
Методика расчета составляющих ортов отраженных пучков, координат изображений и распределения облученности в плоскости анализа АКУ при использовании триэдрических и тетра-эдрических КЭ с одной конической поверхностью и фиксированными отклонениями от прямого двугранного угла между отражающими поверхностями, обеспечивающих одновременное высокоточное измерение трех угловых пространственных координат контролируемого объекта.
-
Алгоритмы обработки изображений, формируемых описанным КЭ с конической гранью в плоскости анализа автоколлимационного угломера геометрического типа.
-
Имитационная математическая модель автоколлимационных угломеров геометрического типа с правильными и неправильными триэдрическими КЭ, а также с цилиндрическими и коническими гранями различной пространственной ориентации.
4. Макет автоколлимациошгого угломера.
-9-Практическое использование результатов работы
Практическое использование результатов работы отражено актами внедрения методик расчета угломеров:
«Акт об использовании результатов диссертационной работы аспиранта ИТМО Батяна П.В. в НИР, выполненной по договору № 93195», утвержден Заместителем директора Всероссийского НИИ транспортного машиностроения Лстафуровым П.М. 19 апреля 1994 г.
«Лкт о внедрении в опытное использование на инженерно-физическом факультете СПбГИТМО(ТУ) научной продукции, составляющей результаты диссертационной работы Ватяна Павла Викторовича», утвержден проректором СПбГИТМО(ТУ) по HP Карасевым В.В.
Апробация работы
Материалы диссертационной работы докладывались на
-
XXVIII научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава ИТМО, 31 января - 2 февраля 1995 г., доклад «Особенности проектирования и конструирования оптических и оптико-электронных приборов определения линейных и угловых смещений.»
-
Второй международной конференции по проблемам физической метрологии «ФИЗМЕТ-96», СПб, 17-23 июня 1996 г., доклад «Контрольные элементы для трехкоординатных автоколлимационных измерений.»
-
Конференции «Прикладная оптика-96» СПб, 17-20 сентября 1996 г., доклад «Автоколлимационная система для угловых измерений.»
4. Международном научно-практическом семинаре «Прикладные вопросы точности машин, приборов и механизмов» и XXIX научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава ИТМО, 29-30 января, доклад «Система оперативного мониторинга состояния крупногабаритных объектов.»
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 9 работ.
Структура и объем работы
