Глава 2. Методы и средства контроля угловых величин

Автоколлиматоры

Одним из распространенных и широкоизвестных высокоточных угломерных приборов (УП), используемых в различных областях машиностроения, приборостроения, геодезии и измерительной техники является автоколлиматор (АК). АК – это оптико-электронный прибор, основанный на явлении автоколлимации. Он используется для точных измерений углового положения зеркала, закрепленного на контролируемом объекте, и может применяться для контроля прямолинейности и плоскостности направляющих (например, станка). Широкое применение АК в контрольно-измерительных устройствах обусловлено высокой чувствительностью автоколлимационного метода к незначительным поворотам отражающего зеркала. Напомним, что автоколлимация – это автоматическое возвращение светового пучка, вышедшего из фокуса объектива, обратно в фокус (то есть объединение в одном приборе коллиматора и зрительной трубы), если за объективом расположено плоское зеркало строго перпендикулярно к оптической оси. При автоколлимации происходит самонаведение посылаемого светового луча оптической системы АК на его же ось.

По количеству координатных направлений, на которых производятся измерения, АК подразделяются на следующие подклассы: однокоординатные, измеряющие угловой поворот объекта в одной плоскости; двухкоординатные, измеряющие угловые повороты в двух взаимно перпендикулярных плоскостях; трехкоординатные, измеряющие дополнительно угол скручивания, и многофункциональные. Чем больше используется координатных направлений, тем сложнее схема и конструкция прибора.

По степени участия наблюдателя в измерениях все автоколлиматоры делятся на два класса: визуальные и фотоэлектрические автоколлиматоры (ФЭАК). В ФЭАК отсчет основного параметра производится с помощью фотоэлектрических приемников без участия глаза человека, а степень их автоматизации определяется назначением и может быть различной.

К техническим параметрам ФЭАК можно отнести:

- величину углового диапазона, в котором производятся измерения (АК делятся на узкопольные (), среднепольные (), и широкопольные );

- порог угловой чувствительности – угол отклонения контролируемого элемента, при котором сигнал на фотоприемном устройстве равен суммарному шуму системы;

- погрешность измерений.

Типичная схема ФЭАК показана на рис. 2.1. Она включает в себя излучатель 7, в качестве которого чаще всего применяется светодиод, конденсор 6, концентрирующий излучение светодиода на диафрагму 5, имеющую форму отверстия, щели или перекрестия, светоделительный кубик 3, коллимирующий объектив 2, фотоприемное устройство 4. Диафрагма 5 располагается в фокальной плоскости объектива 2 так, что на контролируемый объект 1, в качестве которого применяется зеркало или призма, падает параллельный пучок лучей.

Рис. 2.1. Схема ФЭАК

Если плоскость зеркала 1 перпендикулярна падающему пучку лучей, то отраженный им пучок параллелен падающему и в обратном ходе лучей центр автоколлимационного изображения диафрагмы 5 совпадает с центром фотоприемного устройства 4. Если в качестве последнего применяется позиционно-чувствительный фотоприемник, то при этом сигнал с его выхода равен нулю. При повороте зеркала 1 на некоторый угол a отраженный им пучок лучей будет наклонен по отношению к падающему пучку лучей на угол 2a. При этом центр автоколлимационного изображения диафрагмы 5 сместится относительно центра позиционно-чувствительного фотоприемника на величину

,

где – фокусное расстояние объектива коллиматора.

Вследствие этого смещения с выхода позиционно-чувствительного фотоприемника получим сигнал, пропорциональный смещению или углу наклона . Таким образом, по величине сигнала можно судить об угловом положении объекта 1.

По виду обрабатываемого сигнала, несущего информацию об угловом положении контролируемого объекта относительно линии визирования, ФЭАК чаще всего является прибором, регистрирующим амплитуду сигнала.

В этом случае ФЭАК характеризуются тем, что амплитуда выходного сигнала пропорциональна углу наклона объекта. Эти ФЭАК обычно строятся на основе разрезных или мозаичных фотоприемников с поперечным фотоэффектом; позиционно-чувствительных фотоприемников с продольным фотоэффектом; систем со светоделительным элементом и др. Автоколлимационное изображение делится дифференциальным фотоприемником или светоделительным элементом на несколько частей. Разности сигналов регистрируются от каждой пары частей изображения, смещенных вдоль соответствующих координатных осей фокальной плоскости объектива ФЭАК. Их достоинства: простота реализации, высокая чувствительность, хорошее разрешение, высокая точность. Недостаток: разброс и нестабильность параметров отдельных приемников.

Значительная часть используемых в настоящее время АК являются аналоговыми устройствами с присущими им недостатками. В аналоговых ФЭАК, как правило, имеются оптические компенсаторы, служащие для компенсации смещений изображения. Введение компенсаторов приводит к появлению дополнительных погрешностей.

В цифровых ФЭАК угол поворота контрольного элемента определяется, например, путем подсчета числа стандартных импульсов, заполняющих интервал времени между опорным импульсом и рабочим импульсом, возникающим при попадании на анализатор потока излучения, отраженного контрольным элементом. В последние годы с появлением многоэлементных фотоприемников (ПЗС-линеек и матриц) были разработаны цифровые АК нового поколения.

ФЭАК с ПЗС-линейками или матрицами не требует использования компенсаторов и позволяет увеличить диапазон измерений до нескольких градусов. Благодаря более высокой разрешающей способности ПЗС по сравнению с фотодиодными аналогами и удобству связи с другими узлами измерительного или следящего оптико-электронного прибора, ФЭАК с ПЗС-матрицами вытесняют в настоящее время аналоговые АК.

Современные АК (как цифровые, так и визуальные) выпускаются фирмами «Taylor Hobson» (Англия), «Logitech Inc.» (Шотландия), «Moeller-Wedel» (Германия), «Davidson Optronics» (США) и др.

Основными недостатками АК являются сравнительно небольшой диапазон угловых измерений и невозможность использования для анализа высокочастотных составляющих углового движения объекта из-за сравнительно большой постоянной времени прибора.

Интерференционные приборы

Интерференционные УП – наиболее точные из известных в настоящее время. Явление интерференции света лежит в основе многих высокоточных измерительных систем и датчиков перемещений.

Оптические интерферометры применяются для измерения длин волн спектральных линий, показателей преломления прозрачных сред, абсолютных и относительных длин, угловых размеров, для контроля качества оптических деталей и их поверхностей и пр.

Для измерения перемещений чаще всего используют двухлучевые интерферометры. Примером двухлучевого интерферометра может служить интерферометр Майкельсона (рис. 2.2).

Параллельный пучок света источника L, попадая на полупрозрачную пластинку , разделяется на пучки 1 и 2. После отражения от зеркал и и повторного прохождения через пластинку оба пучка попадают в объектив , в фокальной плоскости D которого можно наблюдать интерференционную картину. Оптическая разность хода D = 2(AC – AB) = 2 l, где l – расстояние между зеркалом и мнимым изображением зеркала в пластинке . Таким образом, наблюдаемая интерференционная картина эквивалентна интерференции в воздушной пластинке толщиной l. Если зеркало расположено так, что и параллельны, то образуются полосы равного наклона, локализованные в фокальной плоскости объектива и имеющие форму концентрических колец. Если же и образуют воздушный клин, то возникают полосы равной толщины, локализованные в плоскости клина и представляющие собой параллельные линии.

Интерферометрические приборы для измерения углового положения (перемещения) объекта строятся на основе интерферометра Майкельсона, в котором оба световых пучка направляются на одно контролируемое зеркало.

Углы в этом случае можно измерять двумя методами. Один метод угловых измерений основан на определении ширины интерференционной полосы, которая будет определяться длиной волны излучения источника и углом поворота объекта. Обширный класс интерференционных УП строится с использованием призмы Кестерса, представляющей собой две прямоугольные призмы с углами 60 и 30°, склеенные вдоль большего катета. Особенностью такой углоизмерительной системы является ее чувствительность к угловым разворотам только вокруг одной оси. Ее недостатки – зависимость чувствительности от точки регистрации относительно вершины призмы и наличие паразитивной засветки от граней призмы.

В другом методе, который применяют наиболее широко, при развороте объекта измеряется разность хода лучей посредством счета числа интерференционных полос фотоприемником. Для повышения диапазона измерений вместо контролируемого зеркала часто используют блок с двумя уголковыми отражателями (рис. 2.3).

12

В этом случае поворот контролируемого объекта 1 приводит только к сдвигу интерференционной картины, а ширина интерференционных полос остается неизменной. То есть в такой схеме угловое перемещение измеряется посредством определения линейных перемещений уголковых отражателей 2, 3 с последующим пересчетом в углы (для такого пересчета необходимо знать расстояние между вершинами уголковых отражателей – базу интерферометра). База интерферометра определяет его чувствительность к угловым измерениям. Однако сильное увеличение базы снижает жесткость конструкции угломерного устройства, поэтому интерферометры обычно выполняют небольших габаритов и с малым числом оптических деталей.

Современные лазерные интерферометры могут подразделяться на интерферометры без переноса спектра сигнала и с переносом спектра сигнала.

Наиболее «слабым звеном» лазерных интерферометров постоянного тока (без переноса спектра сигнала) является операция формирования из аналоговых сигналов фотоприемников импульсных сигналов прямоугольной формы. Однако у таких приборов есть и преимущества – простой формирователь счетных импульсов, отсутствие ограничений на скорость перемещения подвижного отражателя и хорошая помехоустойчивость при реверсивной регистрации счетных импульсов.

Появление интерферометров с переносом спектра сигнала вызвано решением задачи фильтрации шумов интерференционного фона в тракте усилителей постоянного тока с помощью смещения спектра информационных частот в область высоких частот и, таким образом, измерения перемещения с помощью «бегущей» интерференционной картины. Это дало существенные преимущества: улучшение отношения сигнал/шум, увеличение точности отсчета дробной полосы, расширение измерительных функций интерферометров.

В настоящее время в промышленных лазерных интерферометрах в качестве источников света применяют одночастотные и двухчастотные He-Ne-лазеры, генерирующие излучение в видимой части спектра с длиной волны 0,63 мкм. Главным условием применения лазеров в интерферометрах является постоянство частоты излучения, которая, в свою очередь, определяется особенностями работы системы стабилизации частоты генерации. Наиболее эффективной для высокоточной интерферометрии является система стабилизации частоты с использованием в резонаторе лазера (или вне его) пассивных поглощающих ячеек, содержащих пары йода или какого-либо другого вещества с узкими линиями поглощения.

Современные интерферометры выпускаются такими фирмами, как «Zygo» (США), «Hewlett-Packard» (США), «Heidenhain» (Германия), «Metra Blansco» (Чехия), «SORO» (Франция).

Следует отметить некоторые существенные недостатки интерференционных УП:

· Нелинейность выходной характеристики. Интерференционные УП измеряют линейные перемещения, которые затем пересчитываются в угловые перемещения через функцию арксинуса линейного перемещения, отнесенного к базе интерферометра.

· Функция пересчета требует точного знания базы интерферометра, что является достаточно сложной проблемой.

· В связи с расширением диапазона измеряемых углов необходима установка на объект в качестве отражающих элементов уголковых отражателей, что в ряде случаев может быть проблематично.

Гониометры

Рассмотрим, наконец, третью группу – гониометрические методы и средства угловых измерений. Сюда, прежде всего, следует отнести традиционный гониометр – оптико-механический прибор, предназначенный для измерения углов между плоскими полированными гранями призм, углов отклонения лучей, проходящих через прозрачные призмы и клинья, пирамидальности призм, определения показателя преломления и дисперсии оптических материалов. Измерение углов с помощью гониометров такого типа осуществляется в горизонтальной плоскости абсолютным методом путем сравнения углов с точно градуированным лимбом.

Основными узлами традиционного гониометра (схема на рис. 2.4) являются лимб (круговая шкала с делениями) с осевой системой 3, предметный столик 1, на котором устанавливается контролируемая деталь 2, две трубы, одна из которых 4 является коллиматором, а вторая 5 – зрительной, отсчетная система и основание.

Отсчетная система гониометра состоит из осветительной и проекционной систем. Проекционная система снабжена оптическим микрометром и проецирует штрихи участка лимба на его диаметрально противоположный участок, а оттуда – в угловое поле отсчетного микроскопа, куда проецируется также шкала микрометра. Зрительная труба и коллиматор имеют одинаковые телеобъективы.

В фокальной плоскости коллиматора установлена регулируемая щель (марка), освещаемая источником излучения. Зрительная труба снабжена съемным автоколлимационным окуляром и может поворачиваться вокруг столика вместе с отсчетной системой гониометра. Предметный столик может вращаться самостоятельно, а также вместе с лимбом.

Углы призм на гониометрах измеряют коллимационным и автоколлимационным методами. В первом случае столик с призмой поворачивают так, чтобы параллельный пучок лучей от коллиматора, отразившись от одной из граней призмы, попал в зрительную трубу. Изображение щели коллиматора совмещают с перекрестием зрительной трубы и выполняют первый отсчет по лимбу гониометра. Затем лимб со столиком поворачивают так, чтобы совместить изображение щели коллиматора с перекрестием зрительной трубы после отражения пучка лучей от другой грани призмы, и выполняют второй отсчет по лимбу. Измеряемый угол определяется разностью двух отсчетов. При автоколлимационном методе измерений углов используют только зрительную трубу, на которую устанавливают автоколлимационный окуляр. Столик с призмой поворачивают так, чтобы изображение щели после отражения лучей совпало с перекрестием сетки окуляра, и выполняют первый отсчет по лимбу гониометра. Аналогичным образом снимают второй отсчет по лимбу при наведении автоколлиматора на вторую грань призмы. Измеряемый угол, как и в предыдущем случае, определяется разностью двух отсчетов.

В настоящее время широкое применение нашли современные цифровые гониометры, основным отличием которых от традиционных является использование в качестве лимба прецизионного фотоэлектрического преобразователя угла. Схема такого гониометра показана на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Схема цифрового гониометра

В режиме калибровки МП, с помощью визуального АК выставляют плоскость МП так, чтобы нормаль к одной из ее отражающей поверхностей совпадала с визирной осью АК. При этом с дисплея ФПУ считывают информацию об угловом положении поворотного столика. После этого столик с МП разворачивают к АК следующей гранью и снова считывают информацию с дисплея ФПУ. По разности показаний ФПУ определяют угол между гранями калибруемой МП, равный углу поворота ротора ФПУ. Обычно такие гониометры имеют погрешность измерения угла единичного измерения менее , а погрешность в серии измерений на уровне . Габаритные размеры описываемого гониометра составляют порядка мм, а его масса - более 50 кг. Угловые измерения на гониометре могут также проводиться в автоматизированном режиме, в этом случае автоколлиматор должен быть цифровым. Измерения производятся с использованием компьютера, блока электроники для обработки сигналов ФПУ и АК и специального ПО. Цифровые гониометры выпускаются такими известными фирмами, как «Moeller-Wedel» (Германия), «Taylor-Hobson» (Англия).

Цифровые ФПУ подразделяются на абсолютные и инкрементные. В абсолютном датчике угла угловое положение ротора определяется в произвольный момент времени. Информация об угловом положении заложена в коде, формируемом, как правило, в процессе считывания информации с n дорожек измерительной шкалы. Число меток, нанесенных на n -ю дорожку, равно 2 ⁿ, в результате чего угол поворота ротора преобразователя относительно нулевой метки считывается со шкалы в виде двоичного кода.

Инкрементные преобразователи имеют всего одну дорожку с метками, расположенными эквидистантно по углу, в результате чего определение углового положения ротора преобразователя возможно только в процессе суммировании импульсов выходного сигнала. Считывание информации в инкрементных преобразователях основано на эффекте Муара. У классического инкрементного ФПУ стеклянный диск (растр) градуирован обычно на 18 000–36 000 радиально расположенных линий.

Существуют конструкции ФПУ с интегрированной муфтой, а также без муфты и включенных в конструкцию шарикоподшипников.

Инкрементные ФПУ, как правило, характеризуются более высокими точностями. Наиболее высокой точностью характеризуется инкрементный ФПУ немецкой фирмы «Heidenhain RON 905». Его погрешность менее 0,5². Современные цифровые гониометры (фирм «Moeller-Wedel», «Taylor-Hobson» и др.) строятся с использованием инкрементных ФПУ с погрешностью на уровне .

Список рекомендуемой литературы

Пельпор Д. С. Гироскопические системы. М.: Высш. шк., 1986. Ч. I.

Одинцов А. А.Теория и расчет гироскопических приборов. К.: Вища шк. Головное изд-во, 1985.

Гироскопические системы / Под. ред. Д. С. Пельпора. М.: Высш. шк., 1977. Ч. II.

Гироскопические системы / Под. ред. Д. С. Пельпора. М.: Высш. шк., 1980. Ч. III.

 

 

 

Давыдов Владимир Борисович,

Подгорная Людмила Николаевна,

Ткаченко Анна Николаевна