Лазерный динамический гониометр с улучшенными характеристиками

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лазерный динамический гониометр с улучшенными характеристиками

Иващенко Е.М.

Предлагается лазерный динамический гониометр для аттестации многогранных призм, точность которого в три раза больше по сравнению с аналогами, при той же стоимости. Повышение точности достигается внедрением нового метода исключения систематической погрешности кольцевого лазера, не требующего его дополнительных разворотов относительно начального положения. Представлены результаты экспериментальных исследований предложенного метода, которые подтверждают его достоверность. Повышение точности гониометра позволит ему уверенно конкурировать с зарубежными аналогами, которые при сопоставимой погрешности имеют значительно более высокую стоимость.

Постановка задачи

Использование фундаментальных свойств КЛ в угловых измерениях привело к появлению научного направления - лазерной динамической гониометрии, которое легло в основу создания эталонов единицы плоского угла при угловом перемещении твердого тела и единицы показателя преломления, военного эталона единицы плоского угла. Создан также ряд высокоточных углоизмерительных установок на основе КЛ, точность которых составляет порядка 0.05? [1]. 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 коммерческий лазерный гониометр ГС-1Л с погрешностью порядка 0,5? был выпущен Киевским заводом «Арсенал» в начале 80-х гг. прошлого века после совместных работ с ЛЭТИ. Эта система используется в настоящее время в качестве эталона угла в Метрологическом институте Словакии (Братислава) [3]. лазерный динамический гониометр погрешность

Потенциальные возможности современной лазерной динамической гониометрии определяются квантовыми флуктуациями выходного сигнала КЛ и составляют величину порядка тысячных долей угловой секунды. При построении гониометрических систем зачастую используют принцип комплексирования двух преобразователей угла - КЛ и оптического датчика угла (ОДУ). Наличие в углоизмерительной системе КЛ и ОДУ обеспечивает исследование метрологических характеристик гониометрической системы и позволяет расширить диапазон угловых скоростей в динамике. Примерами таких систем в России являются эталон единицы плоского угла при угловом перемещении твердого тела (ГЭТ 94-01) [4, 5] и измерительно-вычислительный комплекс «УППУ-1» [1].

Государственный первичный эталон плоского угла при угловом перемещении твердого тела обеспечивает воспроизведение единицы и передачу её размера со средним квадратическим отклонением результата измерений S, равным 0,04 при 30 независимых измерениях и неисключённой систематической погрешности , равной 0,05 [5]. При калибровке призматических мер плоского угла погрешность измерения увеличивается, что обусловлено погрешностями устройств фиксации углового положения меры - автоколлиматорами (в статическом режиме работы) и оптическими нуль-индикаторами (в режиме углового перемещения).

Повышение точности современных гониометрических систем возможно как совершенствованием технических средств, так и совершенствованием методов измерений, алгоритмов вычислений. Первый путь связан с разработкой новых технических средств, совершенствованием технологии и т.д., и требует больших материальных затрат. Второй путь позволяет достичь поставленной цели менее затратными, но не менее эффективными средствами, за счет детального исследования погрешностей гониометрических систем, разработки методов их уменьшения.

Целью настоящей работы является исследование методов повышения точности углоизмерительных систем, использующих КЛ.

Методы повышения точности углоизмерительных систем с КЛ

Основные источники погрешности КЛ в угловых измерениях

Источниками возникновения погрешности измерений служат методические и инструментальные погрешности. Методическая погрешность КЛ включает в себя погрешности моделей входного сигнала и выходной характеристики КЛ, а также несовершенство метода измерений. К инструментальной погрешности относятся флуктуации параметров КЛ, влияющие на его функцию преобразования, внешние возмущающие факторы, шум квантования выходного сигнала КЛ, а также случайные флуктуации параметров измеряемого датчика угла. К внешним возмущающим факторам относятся: угловой тренд основания, угловые вибрации основания, магнитное поле.

Методические и инструментальные погрешности проявляются в результатах измерения в виде систематических и случайных погрешностей [1].

Систематическая погрешность КЛ определяется влиянием вертикальной составляющей скорости вращения Земли и сдвигом нуля КЛ, которые проявляются при нестабильности скорости вращения КЛ, а также влиянием на КЛ внешнего магнитного поля (обычно это в первую очередь магнитное поле Земли).

Увеличение точности измерений неразрывно связано с устранением источников инструментальных погрешностей, совершенствованием модели выходной характеристики КЛ, а также использованием методов измерения, уменьшающих влияние флуктуаций входного сигнала и источников инструментальных погрешностей.

Способы уменьшения методической погрешности КЛ

Анализ алгоритмов измерений при помощи КЛ был проведен в работе [6].

Фазовый метод измерений угла в лазерной динамической гониометрии определяется выражением:

,

; .

, ? число периодов выходного сигнала КЛ, приходящихся на интервал времени, определяемый отметчиком угла, и за время полного оборота, соответственно; - частота выходного сигнала.

Фазо-временной метод измерений в лазерной гониометрии позволяет уменьшить погрешность измерений. Он заключается в том, что наряду с измерением фазы выходного сигнала КЛ производится измерение интервалов времени, сформированных выходными сигналами датчика угла [6]. В фазо-временном методе используется алгоритм компенсации обобщенного сдвига нуля:

,

F - обобщенный сдвиг нуля; ? коэффициент, характеризующий сдвиг нуля выходной характеристики КЛ; ? масштабный коэффициент КЛ; ? вертикальная составляющая скорости вращения Земли; ф ? время задержки формирования сигналов; е ? угловое ускорение. Знак «+» или «?» определяется направлением вращения КЛ. Если он вращается по часовой стрелке, то берется знак «+», в противном случае знак «?».

При использовании алгоритма компенсации обобщенного сдвига нуля погрешность нахождения угла будет определяться наличием нелинейности выходной характеристики КЛ.

Недостатком рассмотренных способов уменьшения методической погрешности является неэффективное устранение высокочастотных составляющих, возникающих при стабилизации скорости вращения КЛ.

Поэтому для уменьшения методической погрешности КЛ предлагается использовать обобщенный метод, который включает в себя:

алгоритм компенсации обобщенного сдвига нуля;

фильтрацию.

При выборе способа фильтрации основным требованием является неискажение полезного сигнала. При исследованиях преобразователей угла гониометрической системы полезным сигналом служит отклонение действительных значений углов преобразователей от их номинальных значений. Частотный спектр полезного сигнала находится в диапазоне , где f1 - частота вращения КЛ, fmax - максимальная частота полезного сигнала, значение которой зависит от типа датчика угла.

Метод определения систематической погрешности КЛ

Для определения систематической погрешности КЛ в настоящее время используют модифицированный метод кросс-калибровки [1], предполагающий измерения при разворотах КЛ. Реализация этого метода возможна при использовании принципа комплексирования двух преобразователей угла - КЛ и ОДУ, в основу работы которых положены принципиально различные физические эффекты. КЛ и ОДУ устанавливаются на одном поворотном устройстве. Съем данных с КЛ производится через равные угловые интервалы, задаваемыми сигналами ОДУ. Погрешность гониометрической системы включает в себя погрешности отметчика угла (ОДУ) и КЛ.

В заданном угловом положении поворотного устройства систематическая погрешность гониометрической системы при вращении по и против часовой стрелки определяется выражениями:

, (1)

где i, - номер углового интервала при вращении КЛ по часовой стрелке и против часовой стрелки, соответственно.

Угол, измеренный ОДУ, определяется числом периодов измерительного сигнала, отсчитанных от нулевой метки. При этом возникает систематическая погрешность задания углового положения (определяемая как систематическая погрешность ОДУ):

, (2)

(i), (k),- действительный угол поворота поворотного устройства по часовой стрелке и против часовой стрелки, соответственно.

Очевидно, что при измерении заданного угла поворота при вращении по и против часовой стрелки выполняются соотношения:

(3)

k +i= N, (4)

где N - число периодов измерительного сигнала ОДУ.

Из выражений (2), (3) и (4) следует, что при вращении по и против часовой стрелки систематическая погрешность ОДУ отличается знаком:

. (5)

Для нахождения систематической погрешности КЛ предлагается метод, заключающийся в измерении углового положения поворотного устройства КЛ при его вращении по и против часовой стрелки, отличающийся от метода кросс-калибровки [4] тем, что позволяет определить систематические погрешности КЛ и ОДУ при фиксированном положении КЛ.

Согласно результатам исследований [7], погрешность КЛ, в основном, сосредоточена на первой гармонике частоты вращения:

.

где ? систематическая погрешность КЛ;

A ? амплитуда первой гармоники КЛ;

? угол поворота КЛ;

? начальная фаза КЛ.

Таким образом, систематическая погрешность КЛ при вращении по и против часовой стрелки определяется выражениями:

, (6)

Тогда из выражений (3) и (6) следует:

. (7)

Для нахождения систематической погрешности по часовой стрелке приведем отсчеты против часовой стрелки к отсчетам по часовой стрелке:

(8)

Тогда из системы (1) с учетом (5), (7) и (8) запишем выражение для систематической погрешности:

. (9)

Таким образом, для определения систематической погрешности КЛ достаточно измерить угловое положение поворотного устройства при вращении КЛ по и против часовой стрелки.

Экспериментальные исследования

Экспериментальные исследования, направленные на изучение предлагаемых методов, проводились на установке, блок-схема которой представлена на рис. 1. В состав исследуемой системы входили КЛ типа ГЛ-1 и оптический датчик типа ПКГ-105М с ценой деления 4" и имеющий систематическую погрешность, не превышающую ± 0,2".

Рис.1. - Блок-схема экспериментальной установки: 1 - поворотная платформа, 2 - шпиндель системы, 3 - инкрементный ОДУ, 4 - двигатель, 5 - кольцевой лазер, 6 - блок электроники, 7 - система управления двигателем, 8 - персональный компьютер.

Основу гониометрической системы составляют КЛ 5 и ОДУ 3, жестко закрепленные на шпинделе системы 2, и привод, состоящий из двигателя 4 и системы управления двигателем 7. Привод осуществляет вращение шпинделя с заданной скоростью. Выходные сигналы ОДУ и КЛ пропускаются через соответствующие преобразователи сигналов и направляются в интерфейс, осуществляющий предварительную обработку данных (блок электроники 6) и передачу их в персональный компьютер 8.

Результаты исследования систематической погрешности КЛ. Согласно методу, описанному в п. 2.3. найдены систематические погрешности гониометрической системы при вращении КЛ по и против часовой стрелки в интервале скоростей от 40°/c до 150°/c. Систематическая погрешность системы при вращении по часовой стрелке и при вращении против часовой стрелки, приведенная к отсчетам по часовой стрелке, представлены на рис. 2. (кривые 1 и 2 соответственно), полученные при скорости вращения 60°/c.

Рис. 2. Систематическая погрешность гониометрической системы: 1- при вращении по часовой стрелке; 2 - при вращении против часовой стрелки, приведенная к отсчетам по часовой стрелке

Несовпадение результатов измерений указывает на наличие погрешности КЛ и позволяет определить систематическую погрешность КЛ, которая представлена на рис. 3 (кривая 1).

После исключения систематических погрешностей была проведена оценка неисключенной систематической погрешности КЛ, которая представлена на рис. 3 (кривая 2).

Рис. 3. 1 - систематическая погрешность КЛ; 2 - неисключенная систематическая погрешность КЛ

Исследования, проведенные во всем заданном диапазоне, показали, что амплитуда первой гармоники систематической погрешности зависит от времени оборота (рис. 5). Величина неисключенной систематической погрешности лежит на уровне ± 0.005".

Рис. 4. Зависимость амплитуды первой гармоники от времени оборота

Таким образом, систематическая погрешность КЛ в основном сосредоточена на первой гармонике частоты вращения, амплитуда которой линейным образом зависит от времени оборота с коэффициентом линейности 6·10-4 угл.с./c.

Кольцевой лазер является эффективным средством прецизионных угловых измерений. Динамический гониометр позволяет проводить измерения со случайной погрешностью 0,006" (при 25 измерениях) и с неисключенной систематической погрешностью на уровне ± 0.005".

Литература

1. Павлов, П.А., Разработка и исследование высокоточных лазерных гониометрических систем. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук, 2008.

2. Блантер, Б.Е., Экспериментальное исследование точности магнитных преобразователей. Измерительная техника, 1977. №7: p. с.40.

3. Mokros, K.X., Kruhovy laser a mereni uhlu. Jemna Mechanica a Optika, 1993. №9 (203): p. P. 203-205.

4. А.Е. Синельников, В.Н.К., П.А. Павлов, Новый эталон России в области измерения низкочастотных параметров движения. Гироскопия и навигация, 2003. №1 (40): p. 63 - 75.

5. Государственная поверочная схема для средств измерений линейных ускорений и плоского угла при угловом перемещении твердого тела. 2002, Издательство стандартов.

6. Павлов, П.А., Анализ алгоритмов измерений лазерным динамическим гониометром. Измерительная техника, 2008. №1: p. 17-20.

7. Филатов, Ю.В., Кривцов Е., Исследование погрешности воспроизведения единицы плоского угла кольцевым лазером. Измерительная техника, 1989. 12: p. 11-12.

Размещено на Allbest.ru