Введение к работе
Актуальность Одной из важных задач измерительной техники является измерение угловых величин, в частности, определение угловой ориентации объектов В наиболее общем случае необходима пространственная угловая ориентация, для которой требуется измерение углов поворота относительно трех ортогональных осей, одна из которых совпадает с линией визирования объекта (ось скручивания), а две другие ей перпендикулярны (коллимационные оси) Углы поворота относительно указанных осей, соответственно, угол скручивания и коллимационные углы
В качестве конкретных примеров решения этой задачи могут быть названы следующие
1. Измерение угловых перемещений частей и блоков крупногабаритных сооружений с целью контроля точности их сопряжения и реализация неизменности взаимного расположения Такие измерения типичны при монтаже и мониторинге функционирования энергетических, промышленных объектов, научно-исследовательских установок Например, для обеспечения функционирования создаваемого Россией уникального радиотелескопа миллиметрового диапазона РТ-70 необходима компенсация трехмерных деформаций поверхности 70-метрового главного зеркала, пространственная подстройка ориентации контррефлектора, учет скручивания сигары отражающей системы и пилонов опорно-поворотного устройства
-
Контроль в реальном масштабе времени деформаций и прогибов нагруженных элементов промышленных и транспортных сооружений неф-те- и газопроводов, фундаментов реакторов, плотин, мостов, причальных стенок и доков с целью анализа их состояния и повышения безопасности функционирования
-
Определение углового положения движущегося объекта при причаливании или стыковке, элемента конструкции при сборке, рабочего органа робота
4 Измерение угловых деформаций при экспериментах по изучения свойств и контроля состояния моделей новых конструкций или образцов материалов
При соответствующих высокоточных измерениях погрешность составляет величину от единиц угловых секунд до единиц десятков угловых секунд (10"5 10"4 рад) при диапазоне измерения от нескольких угловых минут до единиц угловых градусов (порядка 10"2 3 10"1 рад), дистанция до контролируемого объекта от десятков сантиметров до десятков метров
Для решении указанных задач эффективны трехкоординатные оптико-электронные углоизмерительные системы, при этом предпочтительно использование угломеров автоколлимационного типа с размещением на объекте отражающего контрольного элемента, не требующего электропитания и эксплуатационного обслуживания.
Однако, в настоящее время разработаны и выпускаются одно- и двух-координатные автоколлимзторы Известны реализации трехкоординатных угломеров в виде экспериментальных образцов, которые представляют собой комплекс из двухкоординатного автоколлиматора и отдельного канала для измерения угла скручивания Анализ отраженных пучков при измерении коллимационных углов и угла скручивания выполняется раздельно в отдельных измерительных каналах, что значительно усложняет схему угломера и приводит к значительным погрешностям измерения из-за рассогласования осей оптических систем измерительных каналов и отсчетных баз фотоприемных матриц при обработке изображений
Более эффективным является построение трехкоординатной углоиз-мерительной системы на основе автоколлиматора с единым полем анализа При этом специальные алгоритмы трехкоординатных измерений, соотношения между параметрами элементов автоколлиматора при общем анализе изображений, соответствующих различным отраженным пучкам в настоящее время практически не исследованы
-5-Таким образом, разработка новых схем трехкоорданатных оптико-электронных автоколлиматоров (ТОЭА), в частности, с единым полем анализа, совершенствование методов расчета параметров их компонентов, в особенности, отражающих контрольных элементов (КЭ), исследование их метрологических свойств являются актуальными задачами измерительной техники
Целью диссертационной работы является разработка принципов построения трехкоординатных оптико-электронных автоколлиматоров (ТОЭА) с единым полем анализа, разработка и исследование специальных алгоритмов трехкоординатных автоколлимационных измерений, совершенствование методов расчета параметров элементов оптической схемы Для достижения цели необходимо решить следующие задачи
1. Сформулировать основные требования к ТОЭА,
2 Исследовать действие зеркально-призменных систем различных типов, используемых в качестве отражающих контрольных элементов ТОЭА,
3. Проанализировать варианты построения оптических схем ТОЭА, провести их сравнение и оптимизацию параметров,
-
Рассмотреть габаритно-энергетические соотношения и методики расчёта параметров элементов оптических схем ТОЭА,
-
Реализовать и исследовать программные алгоритмические модели процесса определения угловых координат по измеренным координатам изображений в плоскости анализа, проанализировать влияние отклонений параметров оптических элементов на величину погрешности измерения,
-
Выполнить экспериментальные исследования алгоритмов трехкоординатных измерений на компьютерных моделях и макете автоколлиматора.
Методы исследования. При теоретическом анализе зеркально-призменных систем и исследовании свойств КЭ используются соотношения геометрической оптики, векторно-матричные методы расчета, а также разработанные на их основе методики
В экспериментальной области при исследовании соотношений между параметрами измерительной системы, анализе алгоритмов трехкоординат-ных измерений используются детерминированные, имитационные компьютерные и физические модели функциональных элементов автоколлиматора Модели реализованы на основе компьютерной технологии MatbCAD и исследуются методом статистических испытаний Также реализуется практическая проверка полученных соотношений посредством экспериментального исследования физической модели - макета ТОЭА.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту 1 Принципы построения отражающего контрольного элемента (КЭ) трехкоординатного оптико^электронного автоколлиматора, обеспечивающего
уменьшение погрешности измерения взаимного влияния поворотов КЭ на коллимационные углы и угол скручивания,
возможность изменения величины коэффициента передачи между углом поворота КЭ и углом отклонения орта отраженного пучка по всем трем измеряемым углам, что позволяет уменьшить погрешность измерения вследствие виньетирования,
радикальное упрощение оптической схемы по сравнению с известными аналогами вследствие анализа отраженных пучков, определяющих коллимационные углы и угол скручивания в едином измерительном канале на основе объектива и матричного анализатора
В соответствии с найденными принципами построения, для параллельного пучка лучей КЭ должен быть эквивалентен двум зеркальным системам с тремя отражениями для каждой, причем для одной системы основное неизменное направление параллельно коллимационной оси, а для второй основное неизменное направление расположено в плоскости, содержащей первое направление и ось скручивания и при этом составляет с осью скручивания угол найденной величины
2 Оптимальный способ задания матрицы преобразования координат
при измерении параметров пространственной угловой ориентации объекта
с помощью трёхкоорданатного оптико-электронного автоколлиматора, оп
ределяющий уменьшение погрешности измерения вследствие взаимного
влияния поворотов КЭ на коллимационные углы и угол скручивания
По защищаемому способу, при определении матрицы поворотов Эйлера-Крылова
первый угол задается как поворот относительно координатной оси, ортогональной плоскости расположения основных неизменных направлений двух эквивалентных систем КЭ,
второй угол задается как поворот относительно координатной оси, параллельной основному неизменному направлению первой эквивалентной системы КЭ,
третий угол задается как поворот относительно координатной оси, с которой основное неизменное направление второй эквивалентной системы КЭ составляет угол найденной величины
-
Доказано, что требуемыми свойствами обладает КЭ в виде уголкового отражателя (стеклянного тетраэдра или зеркального триэдра), углы между отражающими гранями которого имеют малые отклонения от 90, причем величины отклонений связаны найденным соотношением
-
Измерение трех угловых координат автоколлиматором с единым полем анализа обеспечивает разработанный алгоритм, в соответствии с которым коллимационные углы и угол скручивания определяются в результате решения системы трех нелинейных уравнений, в которых коэффициенты при неизвестных определяются параметрами КЭ, а свободные члены - измеренные координаты изображений марки автоколлиматора на матричном фотоприемнике
-
Уменьшение погрешности измерения вследствие виньетирования рабочих пучков оправами оптических элементов обеспечивается при рас-
положении КЭ до точки формирования пучка автоколлиматора, при этом световые диаметры объектива автоколлиматора и КЭ должны быть связаны найденным соотношением
6 Защищаются гфинципы построения алгоритмической модели функционирования ТОЭА на участке измерительной цепи КЭ - матричный анализатор изображений, позволяющей исследовать влияние первичных составляющих погрешности измерения
Практическая ценность работы Автором разработаны
Метод расчёта матриц действия КЭ в виде зеркального триэдра и стеклянного тетраэдра с учётом членов второго порядка малости,
Методика расчёта параметров КЭ, обладающего требуемыми метрологическими свойствами возможностью измерения трёх угловых координат при использовании единого поля анализа для обработки изображений, сформированных отраженными пучками, а также варьируемыми коэффициентами передачи по всем трём измеряемым углам в зависимости от рабочей дистанции до КЭ и диапазонов измеряемых углов,
Структура оптической схемы ТОЭА с единым полем анализа
Методики расчёта световых диаметров элементов оптической схемы ТОЭА,
В результате экспериментов на моделях ТОЭА получены данные, позволяющие выработать пути повышения точности измерения
в Результаты экспериментов с макетом ТОЭА подтвердили возможность практической реализации высокоточной трехкоординатной системы измерения углового пространственного положения объектов
Внедрение результатов работы отражено двумя актами внедрения методик расчета параметров оптико-электронных трехкоординатных автоколлиматоров и практических алгоритмов автоколлимационных измерений в отраслевой научно-исследовательской лаборатории кафедры Оптико-
-9-электронных приборов и систем СПб ГУ ИТМО, а также в учебном процессе СПб ГУ итмо
Апробация работы Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах
- Ш межвузовская конференция молодых ученых (Сессии научных
школ), Санкт-Петербург, СПб ГУ ИТМО, 10-13 апреля 2006 года,
-VII Международная конференция «Прикладная ошика-2006» Санкт -Петербург, Россия, 16-20 октября 2006,
- IV межвузовская конференция молодых учёных (Сессии научных
школ), Санкт-Петербург, СПб ГУ ИТМО 10-13 апреля 2007 года;
- XXXVI научная и учебно-методическая конференция
профессорско-преподавательского и научного состава, Санкт-Петербург,
СПб ГУ ИТМО, 30 января - 2 февраля 2007 года
Публикяттии Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 6 статьях и тезисах докладов
Структура и объем работы
