Сравнительный анализ методов устранения неоднозначности отсчета в интерференционных угломерах В ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ УГЛОМЕРАХ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сравнительный анализ методов устранения неоднозначности отсчета в интерференционных угломерах

Е.В.Романова, М.В.Хорошев

Рассмотрены известные методы разрешения неоднозначности интерференционных отсчетов в приложении к углоизмерительным задачам. Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований с рекомендациями для разработчиков такого вида оборудования.

Одним из первых широко известных способов разрешения неоднозначности является метод совпадения дробных полос от излучателей с различным спектральным составом излучения (например, интерферометр Кестерса (рис. 1а), который предназначен для измерений длин концевых мер). При проведении интерференционных угловых измерений мы, как правило, имеем дело с системой эквидистантных интерференционных полос. По смещению полос можно судить об изменении углового положения исследуемого объекта. При сравнении интерферометрических устройств, используемых для измерения угловых величин, особое внимание уделяется условиям получения максимальной точности, которая достигается при измерении наименьшей дробной части порядка интерференции при минимальном значении угловой ширины интерференционной полосы. В каждом конкретном случае это обеспечивается соответствующим выбором конструктивных параметров преобразователя и в зависимости от схемного решения определяет эффективность процесса измерения угловой величины.

Характерной чертой работы интерференционных угломеров является то, что сигнал, определяемый углом рассогласования на входе приемного устройства, изменяется по гармоническому закону, период которого пропорционален длине волны используемого излучения. В приборах, основанных на делении волнового фронта и использовании пространственной когерентности излучения, угловая ширина интерференционной полосы определяется длиной волны излучения и габаритами базы приемного устройства. При этом угловая ширина полосы может достигать величины порядка десятых долей угловой секунды, что при фиксации целого числа интерференционных полос требует использования в блоках вторичной обработки информации запоминающих и счетных устройств большой емкости. Современная техника позволяет производить измерения в пределах нескольких угловых градусов, что вполне достаточно в большинстве реально требуемых случаев, но с воспроизводимостью числа импульсов с точностью до единицы, что соответствует погрешности в одну интерференционную полосу.

Одним из первых широко известных способов разрешения неоднозначности является метод совпадения дробных полос от излучателей с различным спектральным составом излучения (например, интерферометр Кестерса (рис. 1а), который предназначен для измерений длин концевых мер). интерференционный дифракционный датчик угол

Рис. 1 - Интерферометр Кестерса: а) оптическая схема; б) вид поля зрения

Абсолютные измерения длин концевых мер производят при совпадении дробных частей полос. Наклонами основания добиваются того, чтобы полосы на поверхности пластины, наблюдаемые в монохроматическом свете, параллельны короткой стороне меры (рис. 1б). Середину одной из темных полос на мере совмещают с перекрестием нитей и измеряют расстояние a от вертикальной нити до середины ближайшей полосы на пластине (в долях ширины полосы b). Измерения сводятся к определению дробной величины полосы е = a/b на двух длинах волн, соответственно е1 и е2. Затем по известным формулам или по заранее вычисленным таблицам совершают переход к истинному значению длины меры l. При этом точность измерений: дl= л1 л2/2(л1- л2). С помощью интерферометра Кестерса выполнимы и относительные измерения. Для этого образцовую и поверяемую меры притирают рядом к пластине. Разность длин дl сравниваемых мер измеряют по величине смещения ахроматической полосы на контролируемой мере. Однако этот метод весьма сложно приспособить для углоизмерительных задач, к тому же он требует существенного усложнения схемного решения углового преобразователя.

Принципиально иным является способ устранения неоднозначности интерференционного углоизмерительного устройства, в основу которого положено явление модуляции анализируемой интерференционной картины с помощью дифракционного распределения вида sin X. Примером является интерференционный звездный датчик, предложенный De Cou в 1974 г. Автором было использовано восемь фотоприемников (ФПУ), сигнал с которых соответствовал значению интенсивности дифракционного распределения от дифракции на оправе приемного объектива в месте нахождения чувствительной площадки каждого приемника в плоскости анализа. Это позволило расширить диапазон измерений абсолютных значений углов до величины, определяемой угловой шириной первого дифракционного минимума.

Рис. 2 - а) Расположение линеек ПЗС;

b) зависимость интенсивности интерференционной картины от расположения датчиков

Рис. 3 - Определение суммы синусов и косинусов

Расположение ФПУ показано на рис. 2. Ширина чувствительной площадки - с, расстояние между ФПУ - b. Причем расстояние b+c равно четверти периода излучения. На рис.3 видно, что интегралы sin и cos имеют вид заштрихованных областей Q, которые берутся со своим знаком. Имея эти сигналы, необходимо попарно брать соотношения с приемников, сдвинутых на р/4, что даст тангенциальную зависимость с однозначным определением фазы смещения интерференционной полосы. При этом, как показал анализ, ФПУ №5-8 являются избыточными. Кроме этого, по мнению автора, из-за несовершенства конструкции оптической системы и разброса параметров ФПУ интерференционная картина не будет идеальной синусоидой, что также может привести к ошибкам в измерениях. Эти недостатки можно частично исправить, прибегнув к калибровке, а максимальная точность и диапазон измерений могут быть достигнуты путем подбора ФПУ с учетом их размеров и размеров приемных зеркал.

Следующий метод устранения неоднозначности построен на замене дискретного счетчика целых интерференционных полос аналоговым устройством. Основным недостатком дискретного счетчика является трудность совмещения результатов измерения дробной части порядка интерференции и целого числа полос.

Переход к аналоговой системе счета интерференционных полос возможен при выполнении двух условий, предъявляемых к этой системе:

погрешность измерения угловых величин аналоговой системой должна быть меньше угловой ширины полосы анализируемой интерференционной картины;

угловая чувствительность аналоговой системы должна быть соизмерима с погрешностью измерений угловых величин интерференционным каналом.

Действительно, измеренное значение угловой величины, отнесенное к угловой ширине интерференционной полосы бп, числено равно порядку интерференции

,

где бг -- угловая величина, измеренная аналоговым прибором; ?бг -- предельная погрешность угловых измерений аналогового прибора; N -- целая и ?N -- дробная части порядка интерференции.

Первое условие дает гарантированное значение целого числа порядка интерференции, дробную часть которого измеряет собственно интерференционный преобразователь. То есть, аналоговый прибор как бы переносит систему отсчета точного (интерференционного) канала в область угловых величин, определенных сигналом рассогласования грубого (аналогового) канала. В тоже время второе условие исключает возможность появления систематической погрешности, превышающей погрешность измерения в интерференционном канале, так как позволяет совместить начала отсчета двух каналов с погрешностью, соответствующей точному каналу.

При использовании метода многофакторного анализа интерференционного поля, определяется не только величина смещения интерференционной картины от первоначального положения, но и величина линейной ширины интерференционной полосы. В таких угловых преобразователях линейная ширина полосы изменяется при изменении угла рассогласования на входе датчика. Такое изменение может быть зарегистрировано только путем введения сканирования интерференционной картины в плоскости анализа. Для устранения неоднозначности должно выполняться условие, при котором погрешность измерения угла по изменению линейной ширины полосы должна быть меньше угловой ширины интерференционной полосы. Вид интерференционного датчика угла показан на рис.4.

Рис. 4. Оптическая схема интерференционного датчика угла

Экспериментальные исследования показали, что в диапазоне 22,3' изменение ширины интерференционной полосы математически достаточно точно соответствует изменению углового положения объекта (таб.1; рис.5), а погрешность - определяется погрешностью измерения линейной ширины полосы. Наиболее рациональным методом измерения в этом случае является использование многоэлементных приемников излучения, исключающих появление кинематических источников погрешности измеряемых величин. Для точного определения ширины полосы потребуется постоянное усреднение измеренного расстояния между двумя соседними максимумами, а для определения смещения - измерение положения ближайшей полосы относительно выбранного нулевого индекса, что обеспечивается дополнительным программным обеспечением.

Таблица 1 - Результаты эксперимента по методу многофакторного анализа интерференционного поля

Рис. 5. - График зависимости изменения углового положения объекта от линейной ширины интерференционной полосы

На базе способа совпадения дробных частей полосы для нескольких некратных длин волн излучения был разработан метод устранения неоднозначности для монохроматического источника с иррациональным соотношением величин баз приема. Схема устройства приведена на рис. 6.

Рис. 6. Двухканальный интерференционный угломер

Размещено на Allbest.ru