Введение к работе
Актуальность работы
Развитие современного сложного технологического и научного оборудования характеризуется ужесточением требований к соблюдению высокой точности пространственного расположения составляющих его элементов относительно систем прямолинейных монтажных осей, что является одним из условий его качественного функционирования. Поэтому задача бесконтактного контроля положения объектов относительно протяженной линейной базы актуальна во многих областях техники. В связи с этим возрастают требования к необходимому для выполнения этого условия пространственному контролю, реализуемому на основе оптико-электронных измерительных систем (ОЭИС), в особенности с использованием оптической равносигнальной зоны (ОРСЗ) в качестве протяженной измерительной базы.
Коллимационные ОЭИС с ОРСЗ, предназначенные для измерения линейных смещений контролируемого объекта, в силу таких преимуществ как большой диапазон измеряемых смещений на различных дистанциях до объекта контроля и малое энергопотребление, хорошо изучены, тогда как автоколлимационные ОЭИС изучены недостаточно. Бес контактность, дистанционность и возможность полной автоматизации процессов измерения с помощью автоколлимационных оптико-электронных систем контроля соосности (АОЭСКС) в сочетании с их высоким быстродействием позволяет широко использовать эти системы для активного контроля пространственного положения объектов (позиционирования). При этом отсутствует необходимость применения проводов для связи со световозвращателем, и приемо-передающий блок может быть установлен в безопасное для рабочего персонала помещение. Эти ОЭИС позволяют решать ряд проблем, возникающих при монтаже и эксплуатации различных объектов, в том числе и экологически опасных. Поэгому разработка АОЭСКС с ОРСЗ актуальна.
Цель работы
Целью работы являлось исследование особенностей построения автоколлимационных оптико-электронньж систем контроля соосности с оптической равносигнальной зоной для бесконтактного контроля пространственного положения элементов крупногабаритных инженерных сооружений в лабораторных и цеховых условиях.
Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи.
Задачи исследования
1 .Исследование теоретических основ построения АОЭСКС.
2.Исследование особенностей регистрации положения ОРСЗ после прохождения отражателя.
3.Создание методики габаритно-энергетического расчета АОЭСКС с ОРСЗ.
4.Проведение экспериментальных исследований макета АОЭСКС.
5.Создание макета ОЭИС с ОРСЗ для ослабления влияния рефракции воздушного тракта и проведение экспериментальных исследований влияния вертикального градиента температуры в воздушном тракте на смещение пучка лучей с ОРСЗ.
бАнализ погрешностей АОЭСКС с ОРСЗ, вносящих наибольший вклад в суммарную погрешность измерения.
Методы исследования
В теоретической части работы применялись аналитические и численные методы геометрической оптики.
На отдельных этапах исследований используется математическое моделирование с применением персональной ЭВМ, а также компьютерный анализ и интерпретация результатов исследований. Расчеты и выводы проверяются экспериментально на действующих макетах с использованием контрольно-юстировочной аппаратуры.
Научная новизна диссертации
В диссертации впервые рассмотрены особенности построения автоколлимационной оптико-электронной системы контроля соосности с оптической равносигнальной зоной, обеспечивающей автоматизированный бесконтактный контроль пространственного положения элементов крупногабаритных инженерных сооружений в лабораторных и цеховых условиях.
Основные результаты, выносимые на защиту
Математическая модель распределения энергии оптического излучения в процессе формирования и приема пучка лучей с ОРСЗ, при различных положениях плоскости фокусировки и контрольного элемента -отражателя, а также при влиянии аберраций оптической системы объектива прожектора и при наличии рефракции в воздушном тракте.
Теоретические положения, рассматривающие особенности регистрации положения ОРСЗ при влиянии вертикального температурного градиента в воздушном тракте с использованием дисперсионного двухспектрального метода ослабления рефракции атмосферы и физическая модель ОЭИС с ОРСЗ, реализующая этот метод.
Методика габаритно-энергетического расчета оптической системы АОЭСКС с ОРСЗ и методика выбора параметров оптического компенсатора сдвига пучка лучей на основе плоскопараллельной пластины с тангенсным
механизмом смещения.
4. Методика проведения эксперимента по исследованию вертикального температурного градиента воздушного тракта дисперсионным двухспектральным методом.
Практические результаты работы
Математическая модель распределения энергии оптического излучения в процессе формирования ОРСЗ при различных положениях плоскости фокусировки объектива задатчика базового направления и контрольного элемента.
Методика габаритно-энергетического расчета оптической системы АОЭСКС с ОРСЗ при различных вариантах ее построения.
Методика интеграции дискретных воздействий при экспериментальных исследованиях влияния вертикального градиента температуры на точность работы ОЭИС с ОРСЗ.
Собран стенд для исследований макета ОЭИС для проведения углубленных исследований физической модели системы с полихроматической ОРСЗ.
Доказана практическая реализуемость определяющего уравнения и алгоритма противофазной синхронной манипуляции оптического излучения источников для двухспектрального метода ослабления влияния рефракции воздушного тракта.
Выявлены сильно влияющие погрешности позиционирования АОЭСКС с ОРСЗ, и методы их компенсации, в частности, предложен дисперсионный двухспектральный метод ослабления рефракции в воздушном тракте при измерении линейных смещений в условиях сильных градиентов температур.
Реализация результатов работы отражена четырьмя актами использования разработанных методик энергетического расчета, выбора элементов ОЭИС и ослабления влияния рефракции в воздушном тракте.
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке студентов по специальности 19.07.00 «Оптико-электронные приборы и системы», а так же при создании опытного образца оптико-электронной системы контроля формы поверхности радиотелескопа РТ-70.
Апробация работы
Основные результаты работы представлялись на шестнадцати конференциях, в том числе семи международных, таких как Международный оптический конгресс «Оптика - XXI век», Международная конференция "ЛАЗЕРЫ. ИЗМЕРЕНИЯ. ИНФОРМАЦИЯ", Международная конференция «ЛАЗЕРЫ ДЛЯ МЕДИЦИНЫ БИОЛОГИИ И ЭКОЛОГИИ», Третий международный симпозиум "Instrumentation Science and Technology", а также на семинаре в Техническом университете Ilmenau (Германия) в июне 2003
года в рамках стажировки Прокофьева А.В. в этом университете по стипендии им. Л. Эйлера немецкой академии по сотрудничеству с иностранными учеными (DAAD).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ.
Структура и объем работы
