Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Оптические приборы и системы

Диссертационная работа:

Крайлюк Анатолий Дмитриевич. Исследование путей расширения диапазона измерения и повышения точности оптико-электронных автоколлиматоров : Дис. ... канд. техн. наук : 05.11.07 : Санкт-Петербург, 2004 136 c. РГБ ОД, 61:04-5/3439

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 7

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПУТИ РАСШИРЕНИЯ ДИАПАЗОНА ИЗМЕРЕНИЯ И ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ АВТОКОЛЛИ МАТОРОВ 16

1.1. Обобщенная структурная схема оптико-электронного автоколлиматора

1.2. Обзор способов увеличения точности измерения 19

1.2.1. Структура результирующей погрешности измерения 19

1.2.2 Способ уменьшения погрешности измерения посредством увеличения коэффициента преобразования чувствительного элемента 21

1.2.3. Уменьшение первичных инструментальных погрешностей ОЭАК при использовании помехоустойчивых видов модуляции 22

1.2.4. Специфические систематические погрешности измерения ОЭАК 24

1.2.5. Выводы по результатам анализа погрешностей ОЭАК 30

1.3. Основные методы увеличения диапазона измерения ОЭАК 31

1.3.1. Факторы, определяющие диапазон измерения и рабочую дистанцию 31

1.3.2. Схемы ОЭАК с активной компенсацией отклонения пучка 33

1.3.3. Схемы ОЭАК с рабочим поли-пучком 34

1.4. Схемы ОЭАК со специальными контрольными элементами для трех координатных измерений 37

1.51 Направления и задачи диссертационного исследования 38

Глава 2. АНАЛИЗ СВОЙСТВ КОНТРОЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ШИРОКОДИАПАЗОННЫХ АВТОКОЛЛИМАТОРОВ НА ОСНОВЕ ЗЕРКАЛЬНО-ПРИЗМЕННЫХ СИСТЕМ С ЛОСКИМИ ГРАНЯМИ

2.1. Общий алгоритм автоколлимационных измерений; формулировка задачи исследований 41

2.2. Выбор способа задания матрицы преобразования координат. Углы Эйлера-Крылова как параметры угловой ориентации з

2.3. Выбор вида компонентов алгоритма автоколлимационного метода измерения 43

2.3.1. Обобщённый вид матрицы преобразования координат 43

2.3.2. Структура выражения для орта отражённого пучка 46

2.3.3. Вид выражения для матрицы действия контрольного элемента

2.4. Анализ основных видов контрольных элементов для автоколлимационных измерений 48

2.4.1. Выбор классов анализируемых зеркально-призменных систем

2.4.2. Параметры эквивалентных зеркально-призменных систем для измерения коллимационных углов 49

2.4.3. Методика компенсации погрешности вследствие взаимного влияния угловых координат 51

2.4.4. Обзор результатов анализа эквивалентных зеркальных систем

2.5. Разработка методики расчёта параметров матрицы действия КЭ в виде системы зеркал 52

2.5.1. Общий вид матрицы действия зеркального триэдра 53

2.5.2. Методика расчёта матрицы действия зеркального триэдра 55

2.6. Методика расчёта матрицы действия КЭ в виде призмы 58

2.7. Синтез КЭ с заданными метрологическими свойствами 61

2.7.1. Выражение для орта отражённого пучка 61

2.7.2. Разработка методики синтеза КЭ для измерения коллимационных углов. 63

2.7.3. Синтез КЭ с заданной величиной коэффициента преобразования по коллимационным углам 01,( 65

2.7.4. Синтез КЭ для широкодиапазонного ОЭАК на основе стеклянного тетраэдра со специальным выполнением преломляющей грани 68

2.7.5. Оценка погрешности величины коэффициентов передачи из-за приближения расчетных матриц действия 74

2.8 Выводы по главе 76

Глава 3. СИНТЕЗ КОНТРОЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ДЛЯ ШИРОКО ДИАПАЗОННЫХ ОЭАК ОСНОВЕ ЗЕРКАЛЬНО-ПРИЗМЕННОЙ СИСТЕМЫ С НЕПЛОСКИМИ ГРАНЯМИ 77

3.1 .Обоснование выбора объекта исследования 77

3.2. Общий вид матрицы действия КЭ с неплоской гранью 78

3.3. Анализ свойств основного неизменного направления 81

3.4. Расчет орта отраженного пучка 82 3.5 Синтез КЭ на основе зеркального триэдра с отражающей гранью в виде фрагмента конической поверхности 83

3.5.1. Конфигурация зеркального триэдра 83

3.5.2. Вид формируемого изображения в плоскости анализа ИОЭП 83

3.5.3. Анализ действия КЭ при поворотах 86

3.6. Алгоритмы однокоординатных измерений при использовании КЭ с конической гранью. Выводы по главе 89

Глава 4. АНАЛИЗ СООТНОШЕНИЙ МЕЖДУ ГАБАРИТАМИ ОП ТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ШИРОКОДИАПАЗОННОГО АВТОКОЛ ЛИМАТОРА 91

4.1. Определение задач исследования 91:

4.2. Основные понятия и определения 91

4.2.1 Обобщённая оптическая схема АОЭК 91

4.2.2. Используемые допущения и приближения 92

4.2.3. Структура пучка коллиматора 93

4.2.4. Общий метод уменьшения погрешности. Конкретизация задачи исследования 97

4.3. Габаритные соотношения при использовании КЭ на основе зеркально призменных систем 98

4.3. ]. Особенности зеркально-призменых КЭ 98

4.3.2. Автоколлимационная схема канала измерения коллимационных углов 101

4.3.3. Особенности авторефлексионной схемы канала измерения 1

4.4. Габаритные соотношения при поворотах и смещении КЭ 106

4.5. Выводы по материалам главы 107

Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АВТОКОЛЛИМАТОРОВ С РАСШИРЕННЫМ ДИАПАЗОНОМ ИЗМЕРЕНИЯ 108

5.1 Разработка алгоритмов измерения параметров изображения марки 108

5.2. Выбор общей методики экспериментальных исследований 112

5.3. Выбор метрологических параметров , описывающих качество объектов исследования и методики их оценки 113

5.4. Методика обработки результатов эксперимента 114

5.5. Последовательность исследования ОЭАК; разработка методики аттестации 115

5.6. Состав макета ОЭАК 119

5.7. Результаты экспериментального исследования макета ОЭАК 121

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 124 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 127

Приложение 1. Акты внедрения 134 

Введение к работе:

Определение области диссертационного исследования

Решение многих измерительных задач в производстве и научной деятельности требует контрольно-измерительных действий, по определению углового пространственного положения объектов контроля относительно некоторой базы.

В частности, может быть сформулирована следующая группа задач.

1. Измерения углов поворота малоразмерных объектов относительно их исходного положения, принимаемого за базу. Подобные измерения выполняются, например, при тестировании экспериментальных моделей судов, самолетов, гондол летательных и подводных аппаратов при их испытаниях в оптовых бассейнах, аэродинамических трубах, имитационных стендах .

2. Измерение взаимного углового положения кооперируемых объектов в процессе их сопряжения: рабочего органа робота и детали в процессе обработки, объектов при воздушной или космической стыковке, блоков и узлов при сборке и юстировке средств производства в машиностроении и приборостроении /12,28,72 ,69/.

3. Измерение угловых поворотов элементов крупногабаритных конструкций под воздействием ветровых, весовых, температурных, инерционных нагрузок. В частности, такие измерения необходимы для коррекции профиля рефлектора телескопа, ввода поправок на разворот отдельных антенн радиотелескопа или зеркальных сегментов составного зеркала, учета взаимного рассогласования фрагментов научных физических установок в рабочем режиме /28,45 ,63,74/.

4. Контроль угловых уходов относительно некоторой жесткой базы частей и блоков систем навигации, астроориентации, передачи референтного направления с целью повышения точности их работы. В частности, необходимы измерения угловых уходов гироплатформ /36 ,69 ,71 /, солнечных и звездных датчиков /26,74/, учет разворота оптических элементов в перископах и системах передачи направления на разные горизонты /9,65 / и т.д..

5. Измерения угловых деформаций натурных образцов и специальных моделей при испытаниях новых материалов и изделий, исследованиях напряженных состояний и устойчивости элементов конструкций, экспериментальных исследованиях в области технической механики. /30,66 /.

6. Контроль точности сопряжения и взаимного расположения частей и блоков в процессе монтажа и при работе в технологическом режиме оборудования и агрегатов в строительстве, энергетике, промышленных производствах. Такая задача решается в процессе монтажа авиационных и корабельных стапелей, координатных стендов, наземных радиотелескопов, блоков токама-ков и т.д. /5 ,13,25,27,40,41/.

Область диссертационного исследования составляют оптико-электронные углоизмерительные системы для решения рассмотренной группы задач. Из углоизмерительных систем, основанных на различных физических принципах, в область исследования включены угломеры на основе явлений геометрической оптики, поскольку интерференционные и поляризационные системы имеют малый диапазон измерения (не более единиц угловых минут), а также нестабильны при изменении температурных условий измерения.

Определение области научных исследований. Актуальность научной работы

Исходя из условий решаемых метрологических задач можно сформулировать ряд общих свойств, которыми должны обладать рассматриваемые углоизмерительные системы. В частности, могут быть сформулированы следующие совокупности свойств.

Свойства первой совокупности определяют являются стандартными для измерительных устройств и включают: свойство измерения с требуемой точностью, свойство измерения в требуемом диапазоне углов и на требуемой рабочей дистанции до контролируемого объекта.

Свойства второй совокупности отражают специфику измерительной задачи и включают: свойство многокоординатности, которое заключается в возможности измерять углы поворота контролируемого объекта относительно более чем одной оси и свойство бесконтактности, под которым подразу-мевается возможность измерения без наличия механической или электрической (проводной) связи между базой и контролируемым объектом.

Рассмотрим подробнее свойства второй совокупности .

При решении указанных задач с углоизмерительной системой, установленной на жесткой базе или некотором базовом объекте, связана неподвижная система координат XYZ, а с контролируемым объектом — система координат XiYiZi (подвижная), оси которой в исходном состоянии параллельны соответствующим осям неподвижной системы координат (рис. 1).

При этом обычно неподвижная система координат ориентирована так, что одна из осей (например, ось OZ) параллельна линии, соединяющей базовый и контролируемый объекты. Фактически система координат XYZ определяется углоизмерительной системой, её ось OZ непосредственно совпадает с референтным направлением углоизмерительной системы (обычно - оптической осью центрированной системы объектив — анализатор), а начало О — с передней узловой точкой объектива.

Ось OZi системы координат Xi Y1Z1, в исходном состоянии параллельна линии, соединяющей контролируемый объект и углоизмерительную систему и называется осью скручивания, а две другие оси — OXi и OYi, перпендикулярные этой линии — коллимационными осями.

При угловом повороте объекта нарушается параллельность соответствующих осей рассматриваемых систем координат. Угловую пространственную ориентацию объекта удобно описывать тремя угловыми координатами ©ь 02, 0з объекта, т.е. величинами трех последовательных поворотов системы координат XIYJZI относительно собственных осей, в результате которых оси этой системы из исходного переместятся в текущее после углового рассо -10-гласование положение

Повороты на углы 0i, 02, выполняемые относительно осей OiXi,OiYi называются коллимационными углами /21/, а поворот на угол 0з относительно оси OiZi называется углом скручивания /16/.

Далее, возможны два основных варианта структуры углоизмерительной системы. По одному из них, "активные" блоки системы, содержащие излучающие и приемные каналы расположены как на базовом, так и на контролируемом объектах. По второму варианту, на контролируемом объекте расположена только "пассивная" отражающая система не требующая электропитания.

Соответственно, свойство бесконтактности определяет построение углоизмерительной системы по второму варианту при отсутствии механической или проводной связи между базовым и контролируемым объектами.

Конкретизируем свойства измерительных систем предназначенных для решения вышеизложенной группы задач 1...6.

По первой совокупности свойств.

1. Диапазон и погрешность измерения: указанные метрологические задачи требуют реализации измерений в диапазоне от десятков угловых минут до нескольких единиц угловых градусов при относительной погрешности от тысячных до сотых долей от диапазона измерения.

2. Дистанция измерения -от десятков сантиметров до нескольких метров.

По второй совокупности свойств.

3. Для решения указанной группы задач обычно требуются двухкоор-динатные измерения, при которых измеряются два коллимационных угла 01,02, при этом может присутствовать неизмеряемый поворот относительно оси скручивания на угол 0з.

4. В большинстве случаев на контролируемом объекте возможно размещение только отражающей системы при расположении всех активных блоков на базовом объекте. В этом случае система реализует автоколлимационный метод измерения, в соответствии с которым на базовом объекте устанавливается блок с каналами излучения и приема - автоколлиматор, а на контролируемом объекте располагается пассивный отражатель - контрольный элемент.

По результатам проведенного рассмотрения можно сформулировать объект диссертационного исследования: широкодиапазонные оптико-электронные автоколлимационные угломеры с диапазоном измерения до нескольких угловых градусов, выполняющих точные измерения с относительной погрешностью 0.001...0.01 от диапазона измерения и реализующих двух координатные измерения при возможных не измеряемых поворотах относительно третьей оси скручивания.

Используемые в настоящее время углоизмерительные автоколлиматоры имеют достаточную точность для решения указанных задач, однако, не обладают требуемым диапазоном измерения.

Известные широкодиапазонные двух координатные оптико-электронные системы реализованы в основном, в виде макетов и опытных образцов.

Отмеченные обстоятельства определяют актуальность темы диссертационного исследования, посвященного оптико-электронным широкодиапазонным автоколлиматорам.

Предмет и цель диссертационного исследования. Основные задачи и

методы исследования

Предметом диссертационного исследования являются схемы ОЭАК, соотношения между параметрами их компонентов, принципы построения и методы расчета параметров и характеристик.

Целью диссертационного исследования являются разработка принципов построения и методов расчета параметров и характеристик оптико-электронных автоколлимационных углоизмерительных систем, обеспечивающих расширение диапазона и увеличение точности измерений.

Рассмотрим задачи, которые необходимо решить для достижения указанной цели.

Как ранее указывалось, в ОЭАК мерой угла поворота контролируемого объекта является угол отклонения орта пучка, отраженного контрольным элементом (КЭ) /24/.

Угловое положение отражённого пучка определяется видом используемой матрицы преобразования координат, матрицей действия зеркально-призменной системы, образующей КЭ, а также координатами орта падающего пучка в осях неподвижной системы координат /54 ,46 ,47 /. Это определяет следующие общие задачи по исследованию зеркально-призменных систем:

- оптимизировать вид матрицы преобразования координат по точностному критерию;

- исследовать закономерности отклонения орта отражённого пучка при угловых поворотах различных зеркально-призменных систем, используемых в качестве КЭ и оптимизировать их матрицы действия.

Задачи по исследованию автоколлимационных систем вцелом включают:

- анализ основных направлений расширения диапазона и увеличения точности измерения развития ОЭАК, следующих из сформулированной совокупности свойств;

- разработку алгоритмов измерения при использовании оптимизированных отражающих зеркально-призменных систем.

В расчетно-методической области в задачу входит разработка методик:

- расчета параметров отражающих зеркально-призменных систем различных видов, используемых в качестве КЭ ОЭАК; 

- габаритного расчета параметров оптических элементов схем ОЭАК.

В экспериментальной области ставится задача эмпирического подтверждения правильности разработанных методик синтеза КЭ и алгоритмов обработки изображения.

Методы исследования. В теоретической области предполагается использовать векторно-матричный метод расчета и разработанные на его основе методики исследования свойств зеркально-призменных систем.

В экспериментальной области при тестировании разработанных алгоритмов измерения смещения изображения в плоскости анализа используется метод статистических испытаний (метод Монте-Карло) имитационных моделей функциональных элементов приемной системы ОЭАК. Модели реализованы на основе системы программирования Delphy.

Экспериментальные исследования макета ОЭАК реализуются на основе геодезических методов оценки точности определения направления по разработанной автором методике измерения параметров статической характеристики. Обработка и оцеїжа результатов экспериментов проводятся по общепринятым методикам.

Структура диссертационной работы

Диссертационная работа включает введение, пять глав и заключение.

Во введении кратко рассмотрена группа задач, решаемых исследуемыми углоизмерительными системами, конкретизированы область и объект диссертационного исследования, сформулированы две совокупности свойств которыми должны обладать исследуемые угломеры.

В Главе 1 выполнен аналитический обзор схем основных типов известных широкодиапазонных ОЭАК, выявлены наиболее перспективные схемы и тенденции их развития. Критерий оценки вариантов схемы — сформулированные во Введении совокупности свойств требований к ОЭАК. Сформулированы конкретные задачи диссертационных исследований.

Глава 2 посвящена исследованию путей расширения диапазона измерения и точности при использовании в ОЭАК контрольных элементов (КЭ) на основе зеркально-призменных систем с плоскими отражающими гранями.

Оптимизируются матрицы общего алгоритма автоколлимационных измерений: канонического вида зеркальной системы и вид матриц преобразования координат. Обосновывается выбор в качестве базового объекта для построения КЭ широкодиапазонного ОЭАК зеркального триэдра или эквивалентного стеклянного тетраэдра. Критерий оптимизации — независимое измерение коллимационных углов друг относительно друга и как взаимное, так и от не измеряемого угла скручивания. ,

Синтезируются КЭ для широкодиапазонного ОЭАК на основе различных вариантов зеркального триэдра величина углов между отражающими гранями отлична от 90°, а также стеклянных тетраэдров со специальным выполнением преломляющей грани, излагаются методы расчёта их параметров. Выполняется оптимизация параметров КЭ по следующим критериям:

- реализация заданной величины коэффициента преобразования КЭ, меньшей единицы (определяет величину угла отклонения орта отражённого пучка в зависимости от угла поворота КЭ). Указанные требования к коэффициенту преобразования позволяют реализовать широкодиапазонные измерения.

- независимость измерения коллимационных углов;

- энергетическая эффективность, по критерию увеличения полезно используемого потока излучения.

В Главе 3 синтезируется КЭ для широкодиапазонного ОЭАК на основе тетраэдрического отражателя, одна из отражающих граней которого выполнена в виде фрагмента конуса.

Исследуются свойства синтезированного КЭ как элемента, позволяющего увеличить диапазон угловых измерений при упрощении алгоритма обработки формируемого на анализаторе изображения.

Рассматриваются методические погрешности измерения угловых координат при использовании рассмотренного КЭ. Устанавливается эффективность использования синтезированного КЭ для измерения одного коллимационного угла при упрощении алгоритма обработки формируемого эллиптического изображения.

В Главе 4 исследуются особенности построения оптических схем ОЭАК с использованием синтезированных КЭ. Определяются габаритные соотношения между элементами оптической схемы ОЭАК, обуславливающие устранение составляющей погрешности измерения вследствие геометрического виньетирования пучка.

В Главе 5 рассматривается алгоритм обработки изображения, формируемого при использовании КЭ с конической отражающей гранью, излагаются результаты его проверки при экспериментах с макетом ОЭАК , использующего этот КЭ.

Приводятся результаты экспериментов с макетом ОЭАК с КЭ на основе зеркального триэдра с малым коэффициентом преобразования

Приводятся результаты их экспериментальных исследований, оценка погрешности измерения. 

Подобные работы
Син Сянмин
Исследование и разработка трехкоординатных оптико-электронных автоколлиматоров
Бирюков Сергей Владимирович
Методы и средства измерения напряженности электрических полей, обеспечивающие уменьшение погрешности и расширение пространственного диапазона измерения
Кузнецов Евгений Николаевич
Структурные методы повышения точности измерения параметров электрических цепей
Джунковский Андрей Владимирович
Повышение точности измерений и совершенствование программного обеспечения координатно-измерительных машин
Редько Людмила Анатольевна
Повышение точности измерения испытательного напряжения и обеспечение электробезопасности в приборах электроискрового контроля качества изоляции кабеля
Здоровенина Анна Олеговна
Повышение точности измерения содержания перекисных и карбонильных соединений в жирах
Чан Зыонг Дао 0
Совершенствование противоблокировочных систем автомобиля путем повышения точности измерения угловой скорости затормаживаемых колес
Здоровенина Анна Олеговна
Повышение точности измерения содержания перекисных и карбонильных соединений в жирах
Езерский Виктор Витольдович
Методы повышения точности измерения расстояния в радиодальномере с частотной модуляцией для промышленных систем ближней радиолокации
Вейцель Андрей Владимирович
Повышение точности геодезических измерений с помощью рандомизации ошибки многолучевости в приемнике GPS/ГЛОНАСС

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net