Введение к работе
Актуальность темы исследования. Одной из основных проблем современного приборостроения является повышение точности средств измерений, используемых при создании информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС) различного назначения. Точность и надежность функционирования ИИУС во многом определяют эффективность производства. Для обеспечения заданной точности и надежности функционирования ИИУС необходима количественная информация о параметрах исследуемых физических процессов. Такую информацию получают посредством различных измерительных приборов и устройств, которые являются первичными измерительными средствами и определяют метрологические характеристики ИИУС. Повышение точности и расширение номенклатуры измеряемых параметров приводят к созданию многоканальных ИИУС, качество работы которых зависит от функциональных возможностей и точностных характеристик входящих в их состав средств измерений. Перспективным направлением совершенствования многоканальных ИИУС является использование средств измерений, работающих на принципах лазерной интерферометрии.
Основы теории и принципы построения лазерных оптико-электронных ИИУС в нашей стране в основном разрабатывались в Московском государственном технологическом университете СТАНКИН и Новосибирском институте автоматики и электрометрии. В результате этих работ был осуществлен выпуск промышленных образцов ИИУС на основе оптико-электронных приборов ИПЛ-30 и ИПЛ-МП. За рубежом разработкой и выпуском ИИУС данного типа занимаются фирмы «Hewlett-Packard» (США), «Renishaw» (Великобритания), «Carl Zeiss» (Германия) и многие другие. При этом схема построения таких ИИУС во многом определяется типом имеющегося источника оптического излучения.
Примером современных многоканальных ИИУС являются системы управления работой различных станков с числовым программным управлением. Достижения в области нанотехнологий позволяют создать ИИУС с малым шагом дискретности отсчета (порядка 0,01 мкм и менее). В ИИУС для измерения перемещений объектов в качестве источников света используются лазеры, обладающие большой пространственной и временной когерентностью, что открывает возможность обеспечить необходимую погрешность измерения.
При использовании в ИИУС оптико-электронных приборов для формирования нескольких измерительных каналов в условиях ограниченной мощности источника оптического излучения из-за уменьшения мощности оптического сигнала по трассе измерения возникает проблема ограничения функциональных возможностей ИИУС из-за снижения отношения сигнал/шум измерительного сигнала. Эта проблема возникает из-за ограниченной мощности лазера и может быть решена совершенствованием существующих оптиче-
ских и электрических элементов ИИУС и созданием новых ИИУС на основе оптико-электронных приборов.
Недостаточная научная проработанность проблемы и актуальность ее решения предопределили выбор темы диссертационной работы, постановку цели и задач исследования.
Целью диссертационной работы является разработка, исследование и реализация комплекса научных, методических и аппаратных решений, обеспечивающих расширение диапазона измерения физических величин существующих и создание новых ИИУС на основе оптико-электронных приборов путем оптимизации функциональных взаимосвязей и создания новых оптических и электрических узлов и элементов.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи исследования:
-
Анализ предметной области и определение перспектив развития ИИУС на основе оптико-электронных приборов с расширенным диапазоном измерения физических величин.
-
Развитие теоретических положений преобразования светового потока в области светозвуковода акустооптических модуляторов и распространения светового потока в оптических элементах посредством управления оптическим потоком световых волн с одновременной частотной и пространственной фильтрацией результатов акустооптического преобразования до и после модуляции их движением контролируемого объекта.
-
Совершенствование структуры ИИУС на основе оптико-электронных приборов путем оптимизации функциональных взаимосвязей оптических и электрических элементов с целью уменьшения потерь мощности оптических сигналов.
-
Разработка и анализ математической модели оптико-электронных ИИУС, разработка на их основе методики расчета отношения сигнал/шум измерительных сигналов оптических схем ИИУС на основе оптико-электронных приборов.
-
Разработка способа определения действительного значения длины волны лазерного излучения, позволяющего повысить точность измерения ИИУС на основе оптико-электронных приборов за счет компенсации суммарной погрешности от воздействия внешних условий.
-
Разработка методики формирования пространственных реперных точек в оптическом тракте ИИУС, позволяющей расширить диапазон измеряемых величин и создать ИИУС на основе оптико-электронных приборов с повышенной точностью и достоверностью результатов измерения.
-
Разработка ИИУС на основе оптико-электронных приборов повышенной точности для измерения отклонений от прямолинейности за счет повышения отношения сигнал/шум оптического измерительного сигнала.
-
Разработка ИИУС на основе оптико-электронных приборов с улучшенными эксплуатационными характеристиками за счет введения режимов калибровки и компенсации.
9. Подтверждение адекватности теоретических положений и экспери
ментальных моделей на примере ИИУС для измерения линейных перемеще
ний, скорости и ускорения линейного перемещения.
10. Внедрение основных результатов исследований при разработке
ИИУС на основе оптико-электронных приборов в организациях и на пред
приятиях.
Объектом исследования в работе являются лазерные ИИУС на основе оптико-электронных приборов для измерения линейных и угловых перемещений, линейной скорости и ускорения, отклонения от прямолинейности.
Предметом исследования являются комплексные научно-технические решения и пути оптимизации конструктивных параметров и связей оптических и электрических схем, обеспечивающие повышение эффективности создания ИИУС на основе оптико-электронных приборов с расширенными функциональными возможностями.
Методы исследования. При проведении исследований использованы методы: математического анализа, линейной алгебры и аналитической геометрии; математического моделирования; математической физики, прикладной механики; теории геометрической, волоконной оптики; теории пространственной фильтрации.
При экспериментальных исследованиях использованы методы и средства лазерной интерферометрии; акустооптики, пространственной фильтрации; фотоэлектрических преобразований, включая оптическое гетеродиниро-вание; прецизионных линейных измерений; вычислительной техники.
Проблемы и задачи, решенные в диссертации, соответствуют областям исследования специальности 05.11.16 – Информационно-измерительные и управляющие системы (приборостроение): п. 1 – Научное обоснование перспективных лазерных ИИУС на основе оптико-электронных приборов, повышение эффективности существующих систем; п. 6 – Исследование возможностей и путей совершенствования существующих и создания новых элементов, частей, образцов лазерных ИИУС на основе оптико-электронных приборов, улучшение их технических, метрологических и эксплуатационных характеристик, разработка новых принципов построения и технических решений.
Научная новизна диссертационного исследования:
-
Развиты теоретические положения преобразования светового потока в области светозвуковода акустооптических модуляторов и распространения светового потока в оптических элементах посредством управления оптическим потоком информационно-измерительных сигналов ИИУС на основе оптико-электронных приборов для случая акустооптического преобразования световых волн до и после модуляции движением контролируемого объекта с одновременной их частотной и пространственной фильтрацией.
-
Определена структура ИИУС на основе оптико-электронных приборов с минимальными потерями мощности оптических сигналов путем выбора компоновки оптических элементов. Показано, что при ограниченной мощности источника оптического излучения наибольшее отношение сигнал/шум
достигается для схем с акустооптическим преобразованием оптических сигналов до модуляции их движением контролируемого объекта.
-
Разработан способ определения действительного значения длины волны лазерного излучения. Разработанное устройство, реализующее данный способ, позволило повысить точность измерения за счет компенсации дополнительных погрешностей от воздействия внешних условий.
-
Разработана ИИУС на основе оптико-электронных приборов с пространственными реперными точками в оптическом тракте ИИУС, позволяющая расширить диапазон измерения и повысить точность и достоверность результатов измерения физических величин за счет уменьшения основной погрешности.
-
Разработана методика расчета отношения сигнал/шум измерительных сигналов оптических схем ИИУС, позволяющая на этапе проектирования рассчитать необходимое отношение сигнал/шум в зависимости от количества применяемых оптических каналов в схеме.
-
Разработана информационно-измерительная система для измерения отклонения от прямолинейности, позволившая повысить помехоустойчивость ИИУС на основе оптико-электронных приборов за счет повышения отношения сигнал/шум оптического измерительного сигнала.
-
Разработана ИИУС на основе оптико-электронных приборов с улучшенными эксплуатационными характеристиками за счет введения режимов калибровки и компенсации.
Научная новизна подтверждается совокупностью публикаций в рецензируемых изданиях по теме диссертации и объектами правовой защиты интеллектуальной собственности.
Практическая значимость работы. Результаты исследований используются при разработке ИИУС на основе оптико-электронных приборов расширенным диапазоном измерения физических величин. При этом число формируемых оптических каналов от одного источника оптического излучения ограниченной мощности увеличивается до 5ч-6; максимально допустимая скорость перемещения подвижного отражателя достигает 37 м/мин; максимальное значение измеряемого перемещения равно 50 м.
Реализация результатов работы. Основные результаты исследований использованы при разработке ИИУС на основе оптико-электронных приборов для измерения линейных и угловых перемещений, линейной скорости и ускорения, отклонения от прямолинейности и внедрены:
на инструментальном заводе «Измерон» (г. Санкт-Петербург) в качестве макетного образца ИИУС для поверочного стенда индикаторов контакта;
на станкоинструментальном заводе «Красный пролетарий» (г. Москва) в качестве датчика обратной связи на станке для алмазного точения с числовым программным управлением;
в АО «Научно-исследовательский институт физических измерений» (г. Пенза) при проведении научно-исследовательских работ по созданию пер-
спективных волоконно-оптических датчиков температуры и твердотельных МОЭМС-гироскопов на основе акустооптического взаимодействия физических величин;
– в ОАО «Научно-исследовательский институт электронно-механических приборов» (г. Пенза) при разработке конструкторско-технологических решений информационно-измерительных систем на основе оптико-электронных приборов с повышенным отношением сигнал/шум отдельных звеньев и всей системы;
– в Пензенском государственном университете результаты работы использованы во всех видах занятий по проектированию средств измерения (лекции, курсовое проектирование, лабораторный практикум) направлений подготовки 12.03.01 «Приборостроение», 12.03.05 «Лазерная техника и лазерные измерения», 12.04.01 «Приборостроение» при изучении дисциплин «Введение в лазерную технику», «Лазерные измерения», «Основы лазерной техники», «Лазерные технологии», «Лазерная техника в управлении технологическим оборудованием», «Лазерные приборы для измерения механических величин».
Внедрение подтверждено соответствующими актами.
На защиту выносятся:
-
Развитие теоретических положений преобразования светового потока в области светозвуковода акустооптических модуляторов и распространения светового потока в оптических элементах посредством управления оптическим потоком информационно-измерительных сигналов ИИУС на основе оптико-электронных приборов для случая акустооптического преобразования световых волн до и после модуляции движением контролируемого объекта с одновременной их частотной и пространственной фильтрацией.
-
Структура ИИУС на основе оптико-электронных приборов, определяемая выбором функциональных взаимосвязей оптических элементов с целью уменьшения потерь мощности оптических сигналов.
-
Способ определения действительного значения длины волны лазерного излучения, позволяющий повысить точность измерения за счет компенсации дополнительных погрешностей от воздействия внешних условий.
-
ИИУС на основе оптико-электронных приборов с пространственными реперными точками в оптическом тракте ИИУС, позволяющая расширить диапазон измерения и повысить точность и достоверность результатов измерения физических величин за счет уменьшения основной погрешности.
-
Методика расчета соотношения сигнал/шум оптических каналов ИИУС, позволяющая на этапе проектирования рассчитать необходимое отношение сигнал/шум в зависимости от количества применяемых оптических каналов в схеме.
-
ИИУС для измерения отклонения от прямолинейности, позволившая повысить помехоустойчивость ИИУС на основе оптико-электронных приборов за счет повышения отношения сигнал/шум оптического измерительного сигнала.
Достоверность полученных теоретических результатов и выводов подтверждена экспериментальными исследованиями макетных образцов ИИУС на основе оптико-электронных приборов, созданных с использованием разработанных рекомендаций по их проектированию, совпадением полученных результатов с экспериментальными и расчетными данными и внедрениями.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях: «Обеспечение точности механической обработки в автоматизированном производстве» (г. Пенза, 1990); «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение» (г. Москва, 1990); «Элементы и приборы систем измерения и управления автоматизированных производств» (г. Пенза, 1992, 1995, 1997); V Всероссийской научно-технической конференции «Современные охранные технологии и средства обеспечения комплексной безопасности объектов» (Пенза–Заречный, 2004); Международном симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, 2010, 2011); Международной научно-практической конференции «Молодежь и наука: модернизация и инновационное развитие страны» (г. Пенза, 2013); IV Научно-технической конференции «Методы создания, исследования микро-, наносистем и экономические аспекты микро-, наноэлектроники» (г. Пенза, 2013); Региональном молодежном форуме «Открытые инновации – вклад молодежи в развитие региона» (г. Пенза, 2013); научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Свет-2013» (г. Пенза, 2013); Международной научно-практической конференции «Нанотехнологии и альтернативная энергетика в транспортно-технологическом комплексе: системный подход» (г. Воронеж, 2016).
Личный вклад автора. Основные научные результаты диссертационной работы получены автором самостоятельно. Им единолично написаны 2 монографии, 4 статьи в рецензируемых журналах из перечня ВАК РФ. В работах, выполненных в соавторстве, соискателю принадлежит основная роль в формулировке задач, обосновании методов их решения, анализе полученных результатов. Автор является непосредственным исполнителем всех теоретических и экспериментальных исследований.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 64 научные работы, из которых 2 монографии, 20 статей – в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 2 авторских свидетельства, 1 патент, 39 публикаций в сборниках трудов и конференций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав основного текста (286 страниц), заключения, списка литературы, включающего 165 наименований, и приложений.