научная статья по теме КОЛЛИМАЦИОННЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ВЕЛИЧИН Метрология

Текст научной статьи на тему «КОЛЛИМАЦИОННЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ВЕЛИЧИН»

Общие вопросы метрологии и измерительной техники

значения булевых функций и К0 в (5), будем иметь

Сх = ^2^4 531 > ТХ = ^4С4.

Заключение. Предложенный метод целенаправленного синтеза МИЦ, как видно из приведенных примеров, прост в реализации. Он не требует использования пространных таблиц возможных конфигураций мостовых цепей и правил сочетания трехэлементных цепочек, а также анализа уравнений равновесия конкретных МИЦ. Их синтез фактически превращен в рутинную процедуру, чисто формально с помощью полученных математических выражений учитывающую как задачу измерения, так и предъявляемые к синтезируемым МИЦ дополнительные требования, связанные с их технической реализацией. По сути происходит сначала кодирование условий задачи измерения и технических требований к реализации, а затем декодирование их в конкрет-ную(ые) конфигурацию(ии). Все это позволяет проектировщику получать оптимальные конфигурации МИЦ без углубления в теорию и схемотехнику мостовых цепей переменного тока. Особо отметим, что при реализации метода в САПР синтез может быть доведен до полного автоматизма. При этом одновременно с конфигурацией МИЦ, также сугубо формально, выводят формулы отсчета значений измеряемых данной цепью параметров, что также является немаловажным достоинством изложенного метода синтеза. Важно и то, что предложенная процедура дает полное множество возможных конфигураций, т. е. иных конфигураций (помимо синтезированных) не существует, что избавляет проектировщика от бесплодных поисков желаемых, но не существующих МИЦ.

Отметим также, что предложенная методика позволяет решать задачи, обратные синтезу МИЦ, предназначенных для решения конкретной измерительной задачи. В частности, она помогает выявить круг решаемых задач при нало-

жении на элементы цепей тех или иных ограничений, например, связанных с применением бесконтактных ключей и (или) многозначных мер активной проводимости.

Перечисленные достоинства предложенного метода синтеза МИЦ позволяют сделать вывод о его существенных преимуществах перед известными.

Л и т е р а т у р а

1. Карандеев К. Б. Мостовые методы измерений. — Киев: Гостехиздат УССР, 1953.

2. Волков А. М. Обобщенный анализ уравновешивания мостовых схем переменного тока: Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд техн. наук. — Киев, 1953.

3. Карандеев К. Б., Штамбергер Г. А. Обобщенная теория мостовых цепей переменного тока. — Новосибирск: Изд-во СО АН СССР, 1961.

4. Кнеллер В. Ю. // Приборы и системы управления. — 1974. — № 3. — С.14.

5. Кнеллер В. Ю. // Приборы и системы управления. — 1974. — № 4. — С.18.

6. Агамалов Ю. Р. // Измерительная техника. — 2003. — № 7. — С. 11; Agamalov Yu. R. // Measurement Techniques. — 2003. — V. 46. — N 7. — P. 649.

7. Агамалов Ю. Р. // Измерительная техника. — 2003. — № 9. — С. 55; Agamalov Yu. R. // Measurement Techniques. — 2003. — V. 46. — N 9. — P. 893.

8. Агамалов Ю. Р. // Состояние и проблемы измерений: Сб. матер. 10-й Всерос. науч.-техн. конф. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. — С. 18.

9. Кнеллер В. Ю., Агамалов Ю. Р., Десова А. А. Автоматические измерители комплексных величин с координированным уравновешиванием. — М.: Энергия, 1975.

Дата принятия 24.07.2008 г.

ЛИНЕЙНЫЕ И УГЛОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

621.3.088:621.39

Коллимационный способ измерения линейных величин

В. П. СОЛДАТОВ

Московский государственный университет геодезии и картографии, Москва, Россия

Рассмотрены принципы построения и преобразования сигналов в коллимационных оптико-электронных устройствах для измерения линейных перемещений.

Ключевые слова: коллиматор, распределение освещенности, фаза сигнала, многоэлементный приемник излучения, центроида изображения.

Principles of design and transformation of signals in collimation eledro-optical devices for measurement of linear displacements are discussed.

Key words: collimator, illumination distribution, phase of a signal, focal plane array, image centroid.

Для измерения небольших линейных перемещений объектов, их несоосности, нестворности, непрямолинейности направляющих, отклонений размеров от номинальных

значений применяют различные оптико-электронные приборы, основанные на амплитудных коллимационных, автоколлимационных, а также на интерференционных и диф-

ракционных способах [1—3]. Однако интерференционные и дифракционные способы измерений достаточно сложны в конструктивной реализации и ненадежны в сложных условиях, когда имеются изменения температур, фоновых засветок, вибраций и т. д. Не всегда надежно работают в подобных условиях и амплитудные коллимационные и автоколлимационные приборы из-за их значительной чувствительности к изменению амплитудных параметров среды распространения излучения и нестабильности яркости излучателя. Некоторые из этих приборов могут функционировать при ограниченной дальности.

Приборы управления по лучу (ПУЛ), основанные на регистрации равносильной зоны светового луча от коллиматора (прожектора), обладают большим диапазоном дальности и могут работать в лабораторных и полевых условиях [3]. Их недостатками являются влияние на точность измерений неидентичности разделенных потоков излучения прожектора, необходимость значительного разброса частот модуляции этих потоков, что нужно для предотвращения их взаимного влияния, а также заметное изменение чувствительности при изменении дальности действия, так как равносильная зона проецируется на вполне определенное расстояние.

Предложенный в [4] коллимационный способ для измерения линейных величин основан на анализе изменений освещенности изображения диафрагмы (марки) коллиматора в фокальной плоскости объектива приемной системы, вызванных взаимным параллельным смещением их оптических осей. Прибор, основанный на этом способе [5], обладает преимуществами ПУЛ, но в нем устранены или ослаблены указанные выше недостатки. Кроме того, его конструкция проще, чем у ПУЛ. Коллиматор измерителя линейных величин устанавливают, например, на исследуемом объекте, перемещения Ах которого измеряют фазовым анализатором изображения. Приемная часть содержит объектив и фазовый анализатор изображения, например радиально-секторный, с генератором опорного напряжения и приемник излучения, подключенный через усилитель к фазометру.

Принцип действия этого прибора заключается в следующем. Объектив фокусирует изображение диафрагмы (марки) коллиматора в плоскости анализатора, в результате на входе приемника создается модулированный поток излучения, фаза которого одинакова с фазой опорного напряжения, генерируемого отдельными источником и приемником излучения, устанавливаемыми по разные стороны вращающегося с постоянной скоростью анализатора.

При наличии относительного параллельного смещения Ах оптических осей коллиматора и объектива вдоль вертикальной оси вследствие неодинакового виньетирования элементарных пучков лучей от симметричных точек диафрагмы коллиматора оправой входного зрачка объектива приемной части возникает несимметричное перераспределение освещенности изображения диафрагмы в плоскости анализа [5]. Поэтому появляется разность фаз ф модулированного потока и, следовательно, электрического сигнала на выходе усилителя относительно опорного напряжения, которая пропорциональна смещению Ах.

Функцию преобразования прибора можно записать в виде [5]:

тт

Цп( Ах, у') К (у' - у?) ёу' ею tdt

Ф( Ах)=агйдТТ--

Цп( Ах, у') Л (у' - у?) ёу' сое 00

(1)

где п(Ах, у') — функция виньетирования; у' — координаты изображений излучающих точек у диафрагмы коллиматора; Л(у' - vi) — функция пропускания анализатора; V — скорость сканирования изображения; i — текущее время; Т = Тл / V — период модулированного потока излучения; Тл — линейный период анализатора изображения в месте сканирования изображения.

Функцию виньетирования для круглых зрачков коллиматора и объектива запишем в виде

П(Ах, у) = -Лд(у)

агссоэ

Ах - у/ 2Я

Ах ~ У^ ^06 5 2 -

2Я2 »

Ах - у///0б

(2)

где д(у) — функция распределения освещенности в плоскости марки; L - расстояние между коллиматором и объективом приемной части; /Об — эквивалентное фокусное расстояние объектива приемной части; R — радиус входного зрачка объектива.

При выводе формулы (2) предполагали, что диаметры выходного зрачка коллиматора и входного зрачка объектива приемной части и их фокусные расстояния одинаковы, что необходимо для обеспечения высокой чувствительности. Расчеты по (1) при различных значениях параметров и экспериментальное исследование прибора показали, что его чувствительность К = Аф / Ах составляет порядка 6 °/мм и незначительно изменяется при изменении дальности L примерно до 3—4 м. Значение пороговой чувствительности при различных параметрах прибора и расстояниях L составляет порядка 10 мкм и менее.

Другую, более современную конструктивную реализацию рассматриваемого коллимационного способа измерений, основанного на перераспределении (изменениях) функций виньетирования для элементарных потоков, излучаемых отдельными точками диафрагмы коллиматора, на оправе входного зрачка объектива приемной системы, поясним на рис. 1. Здесь распределение освещенности диафрагмы 3 коллиматора анализируется многоэлементным приемником излучения 6, расположенным в фокальной плоскости объектива 5, который через электронный блок 7 и аналого-цифровой преобразователь 8 подключен к микропроцессору 9. В этом случае регистрируется координата энергетического центра

тяжести, например уЦ т, в распределении освещенности диафрагмы коллиматора, которую при помощи микропроцессора определим из следующего соотношения:

П , п

Уц т = I У' ($ I ($,

I=1 / I=1

где у' — координата центра засвечиваемого элемента приемника; Е(. — его средняя освещенность; Д. — засвечиваемая площадь элемента; п — число засвечиваемых элементов.

Нормированное одномерное распределение освещенности Е(уо) без учета постоянного множителя в изображении диафрагмы коллиматора при заданном взаимном смещении оптических осей коллиматора и объектива приемной системы Ах определим как свертку функций виньетирования п(Ах, у') и рассеяния точки Е(у') [6], т. е.

4

5

6 7 8 9

У2 = Уо + 3о

Е (Уо )= | П (А*. У) Е (уо - У') аУ

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком