Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время угловые измерения ведутся во многих областях науки и техники: в машиностроении и приборостроении - для контроля геометрических параметров изделий и их пространственного положения, для точного позиционирования рабочих органов измерительной аппаратуры и станков; в навигации и ориентации - для определения положения объекта относительно выбранной системы координат или какого-либо ориентира; в строительстве - для контроля отдельных элементов и сооружений в целом; в астрономии и геодезии -для определения координат небесных или наземных объектов и т.п. Сфера использования методов и средств угловых измерений постоянно расширяется, что подтверждается большим числом публикаций, авторских свидетельств и патентов [1-5].
Важной тенденцией развития методов и средств угловых измерений является стремление к их полной автоматизации, повышению оперативности и надежности получаемой измерительной информации. Вследствие этого возникают требования к простоте конструкции, надежности в эксплуатации, высокой точности в достаточно большом диапазоне измеряемых или контролируемых угловых величин, возможности унификации отдельных узлов и даже конструкции в целом, высокой метрологической достоверности получаемых результатов, увеличению быстродействия, повышению срока службы измерительного прибора.
Одним из важнейших требований при проведении угловых измерений является обеспечение высокой точности, характеризуемой погрешностями в десятые и даже сотые доли угловой секунды. Так, например, современные визуальные автоколлиматоры фирмы Moeller-Wedel достигают точности угловых измерений порядка 1 угл.сек., а цифровые - порядка 0.03 угл.сек.[6]
Одной из важных задач гониометрии является калибровка призм, не имеющих отражающих покрытий на гранях. Необходимость калибровки таких призм обусловлена, прежде всего, тем, что в оптических системах часто используются призмы без отражающих покрытий. Кроме того, контроль углов между гранями призм необходим в процессе их изготовления. Призмы без отражающих покрытий используются также в процессе измерения коэффициента преломления различных материалов и сред, т.е. в рефрактометрии, причем рефрактометры в настоящее время часто создаются на основе гониометров [7, 8].
Целью работы является разработка методов измерения углов между гранями прозрачных призм, позволяющих осуществлять измерения в динамическом режиме и обеспечивать повышение точности измерений и их автоматизацию.
Для достижения поставленной цели определены следующие задачи исследований:
построение моделей, позволяющих рассчитать положения призмы, фиксируемые оптическим нуль-индикатором, и разработать алгоритмы идентификации импульсов от различных граней призмы;
проведение анализа влияния ширины спектра источника света, используемого в интерференционном нуль-индикаторе, а так же дисперсионных свойств материала калибруемой призмы на выходной сигнал нуль-индикатора;
разработка метода цифровой обработки сигнала с фотоприемника интерференционного НИ, обеспечивающего разрешение близко расположенных импульсов;
экспериментальная апробация алгоритма цифровой обработки выходного сигнала интерференционного нуль-индикатора.
Методы исследований включают в себя аппарат теории математического анализа, математический эксперимент, натурный эксперимент.
На защиту выносятся:
-
Полученные математические модели и созданные на их основе алгоритмы позволяют произвести идентификацию выходных импульсов нуль-индикатора, сформированных от различных граней призмы.
-
Использование в интерференционном нуль-индикаторе широкополосного источника света обеспечивает исключение импульсов от внутренних граней только при определенных конфигурациях призмы.
-
Цифровая обработка выходного сигнала интерференционного нуль-индикатора позволяет повысить разрешающую способность и исключить систематическую погрешность, вызванную взаимным искажением близко расположенных интерференционных импульсов.
Научная новизна. В процессе проведения исследовании получены новые научные результаты:
разработаны математические модели, позволяющие рассчитать положение калибруемой призмы, при котором световые пучки нуль-индикатора падают по нормали на внутреннюю или внешнюю грань призмы.
разработан алгоритм, позволяющий выделить положения, соответствующие нормальному падению пучков нуль-индикатора на наружные грани призмы с углами 45-90о-45.
проведен анализ влияния ширины спектра источника света, используемого в интерференционном нуль-индикаторе, а так же дисперсионных свойств материала калибруемой призмы на выходной сигнал нуль-индикатора.
разработан метод аппроксимации оцифрованного сигнала с фотоприемника нуль-индикатора, при регистрации близкорасположенных импульсов от разных граней калибруемой призмы.
Практическая ценность работы состоит в том, что:
получены математические модели, позволяющие анализировать ход световых пучков в прозрачной призме вне зависимости от углов преломления.
разработан алгоритм идентификации импульсов от наружных граней призмы с углами 45-90-45.
показана ограниченная эффективность использования широкополосного источника света для исключения импульсов, получаемых от внутренних граней призмы;
- разработан и реализован алгоритм, разделения близкорасположенных им
пульсов, позволяющий уменьшить систематическую погрешность, вызванную их
взаимным искажением и повысить разрешающую способность динамического го
ниометра.
Реализация и внедрение результатов работы.
1. Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс кафедры Лазерных измерительных и навигационных систем Санкт-петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" при выполнении выпускных квалификационных работ бакалавров и магистров, а также при подготовке курса лекций по дисциплине «Лазерные измерительные системы» магистерской программы «Лазерные измерительные технологии»;
2. Результаты диссертационной работы были использованы на предприятии ООО «Инертех» при разработке методического обеспечения опытных образцов Лазерных динамических гониометров.
Апробация. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
- Всероссийская научно-техническая конференция молодых ученых «Навигация и
управление движением» (2005), Санкт-Петербург, Россия.
- Научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава
Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета
(ЛЭТИ) (2007,2011), Санкт- Петербург, Россия.
- Международная конференция «Оптика Лазеров» (2010), Санкт-Петербург, Рос
сия.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, из них - 4 статьи в журналах из Перечня изданий, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Она изложена на 123 страницах машинописного текста, включает 55 рисунков, 1 таблицу и содержит список литературы из 35 наименований.
Похожие диссертации на Разработка и исследование методов измерения межгранных углов прозрачных призм на основе динамического гониометра
