CC BY
9
Pirukhin Vitaly Alexandrovich, senior researcher, pirookhin@,mail. ru, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after А.F. Mozhaysky,
Pilipenko Lyudmila Viktorovna, junior research, lysi-65@,mail. ru, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky
УДК 681.787.7
АНАЛИЗ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОГО СИГНАЛА МЕТОДОМ
ПЛОЩАДЕЙ
Е.Е. Майоров, М.В. Хохлова, В.П. Пушкина, А.С. Ушакова, В.Б. Коцкович, Е.А. Писарева, Р.Б. Гулиев, А.В. Арефьев
Проанализированы интерференционные сигналы, отраженные от шероховатой поверхности методом площадей. Отмечено, что наиболее перспективными для измерений рельефа поверхности являются интерференционные приборы. Для получения искомой информации о рельефе поверхности интерференционные сигналы подвергались аналоговой и цифровой обработке и анализировались методом площадей. Приведена схема синхронизации интерференционного прибора. Показано формирование импульсов задержки, которые необходимы для выделения участков с максимальной скоростью. Экспериментально получено, что при импульсе задержки период сканирования равнялся Тм./8, а при меандре Тм./4.
Ключевые слова: интерферометр, синхронизация, меандр, импульс задержки, период, метод площадей.
Получение высокоточной и достоверной информации о геометрических параметрах поверхности объектов всегда являлось важной задачей метрологии. В настоящее время для решения указанной задачи существует широкий класс методов и технических средств, которые подразделяются на контактные и бесконтактные [1-3].
Контактные методы реализуются в различных конструкциях механических щупов. В настоящее время ведущие фирмы-производители оптико-механических приборов, такие, как Carl Zeiss, Renishaw, производят контактные приборы [4-7], позволяющие измерять рельеф поверхности с точностью до 1,0...0,1 мкм.
Основными недостатками контактных методов являются низкая производительность, требование хорошей виброзащиты, относительно быстрый износ зондирующего элемента. Кроме того, использование контактных методов измерений может оказать негативное влияние на объекты с малой устойчивостью к механическому воздействию [8-15]. Поэтому на использование контактных методов накладывается ограничение по классу контролируемых объектов. Также контактные методы не пригодны для решения динамических задач.
Указанные недостатки исключаются применением бесконтактных методов контроля. Важное место среди них занимают оптические методы [13-18].
Оптические методы измерений рельефа поверхности и работа соответствующих приборов основаны на анализе светового излучения, отраженного от контролируемой поверхности. Анализ литературных данных показал, что наиболее перспективными в этом классе приборов являются интерферометрические [17-20].
Поэтому целью работы явился анализ интерференционного сигнала методом площадей.
Метод площадей. Для получения искомой информации о рельефе поверхности сигналы фотоприемников подвергались аналоговой и цифровой обработке и анализируются методом площадей.
В этом случае огибающая интерференционного сигнала U подается на вход аналого-цифрового преобразователя (рис. 1). Тактовая частота задается импульсами UN. Компьютер производит суммирование выборок сигнала Ub. Поскольку интервал между выборками постоянный, сумма выборок Sb пропорциональна площади под огибающей. Далее сумма Sb делится на 2, и находится величина Sb /2. После этого производится последовательное сложение выборок, начиная с первой, и вычисляется сумма ^ Ub . При этом каждый раз при увеличении суммы на одну выборку по-i=1
лучаемая сумма сравнивается с величиной Sb /2, соответствующей половине площади под огибающей. Суммирование прекращается, когда после добавления k-й выборки наступает равенство
к
TUb = Sb/2. i=1
Временное положение k-й выборки принимается в качестве положения максимума информационного сигнала. Дальнейшее определение временного интервала Цд производится также как в методе дифференцирования огибающей.
Управление работой оптического щупа осуществляется с помощью схемы синхронизации (рис. 2). С выхода датчика измерения скорости сканирования опорного зеркала v снимается синусоидальный сигнал Uv, который подается на компаратор. Последний формирует прямоугольные импульсы Uvo, длительность которых равна временному интервалу между моментами нулевой скорости сканирования опорного зеркала. По передним и задним фронтам импульсов Uv0 формируются синхроимпульсы Uc, которые запускают схему формирования импульсов задержки U3. По задним фронтам импульсов задержки вырабатывается прямоугольный импульс Up, который является разрешающим сигналом на подачу напряжения питания Un источника освещения.
Формирование импульсов задержки необходимо для того, чтобы из графика зависимости скорости сканирования от времени (Uv) выделить участки с максимальной скоростью, на которых v ~ const. Постоянство
скорости сканирования опорного зеркала V, в свою очередь, обеспечивает постоянство частоты сигнала Гс. Длительность импульса задержки иЗ и меандра иР определяются периодом сканирования. При экспериментальных исследованиях иЗ и иР равнялись ТМ/8 и ТМ/4 соответственно, где ТМ - период сканирования.
/ / / / ! / / / \ \ \ \ \ \ \ N
У -г1 >г-
(к-1) к (к+1)
Рис. 1. Обработка интерференционного сигнала методом площадей: а - блок-схема электронной обработки; б - формирование выборок огибающей сигнала; к-я выборка делит площадь под огибающей на две
равные части
У
1 : 1 : 0 1 1 ; о
| 1
\
Рис. 2. Блок-схема синхронизации (а) и формирование сигналов
управления (б)
234
Заключение. Экспериментальной проверке подлежал метод обработки интерференционного сигнала - метод площадей. Показано формирование импульсов задержки, которые необходимы для выделения участков с максимальной скоростью. Экспериментально получено, что при импульсе задержки период сканирования равнялся Тм./8, а при меандре Тм./4.
Список литературы
1. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1970. 855 с.
2. Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Наука, 1976. 926 с.
3. Креопалова Г.В., Лазарева Н.Л., Пуряев Д.Т. Оптические измерения. М.: Машиностроение, 1987. 264 с.
4. Большаков О.П., Котов И.Р., Хопов В.В. Система для измерения рельефа поверхности и упругости кожи // Медицинская техника. 1997. №5. С. 35-38.
5. Протопопов В.В., Устинов Н.Д. Лазерное гетеродинирование. М.: Наука, 1985. 288 с.
6. Ахманов С.А., Дьяков Ю.Е., Чиркин А.С. Введение в статистическую радиофизику и оптику. М., 1981. 640 с.
7. Майоров Е.Е., Нагибина И.М., Хопов В.В. Влияние размера зондирующего пятна на величину сигнала в интерферометре с использованием источника излучения с ограниченной когерентностью // Труды молодых ученых и специалистов. СПб ГИТМО (ТУ) 2000. С. 53 - 54.
8. Майоров Е.Е. Теоретический анализ точности измерения формы диффузно отражающего объекта с помощью интерферометра с источником ограниченной когерентности // Современные технологии. Труды молодых ученых ИТМО. 2001. С. 61 - 63.
9. Большаков О.П., Котов И.Р., Майоров Е.Е., Хопов В.В. Когерентно-ограниченная интерферометрическая система технического зрения. // Фундаментальные исследования в технических университетах: материалы V Всероссийской конференции. СПб., 2001. С. 126 - 127.
10. Майоров Е.Е., Нагибина И.М., Хопов В.В. Использование излучения с малой временной когерентностью для исследования биологических объектов // Труды молодых ученых и специалистов, 2000. СПб.: ГИТМО (ТУ), 2000. Вып. 1. Ч. 1. С. 41 - 42.
11. Большаков О.П., Котов И.Р., Майоров Е.Е., Нагибина И.М., Хо-пов В.В. Использование излучения с малой временной когерентностью для томографии биотканей // Международная конференция «Оптика-99». 1999. С. 22.
12. Большаков О.П., Котов И.Р., Хопов В.В., Майоров Е.Е. Когерентно-оптическая томография биотканей // Фундаментальные исследования в технических университетах: материалы III Всероссийской НТ-конференции. 1999. С. 151 - 152.
13. Майоров Е.Е., Прокопенко В. Т. Исследование влияния спекл-структуры на формирование интерференционного сигнала и погрешность измерений // Научное приборостроение. 2013. Т. 23. №2. С. 38 - 46
235
14. Майоров Е.Е. Метод устранения влияния декорреляции спекл-полей на точность измерений и динамический диапазон интерференционного сигнала // Научное обозрение. 2013. №9. С. 329 - 332.
15. Майоров Е.Е., Прокопенко В.Т., Ушверидзе Л. А. Система когерентной обработки спеклограмм для исследования поверхностей зубной ткани // Медицинская техника. 2013. №6 (282). С. 25 - 27.
16. Алгоритмы обработки информационного сигнала компьютерной интерференционной системы контроля негладких поверхностей / Е.Е. Майоров, А.Ч. Машек, С.В. Удахина, Г. А. Цыганкова, Г.Г. Хайдаров, Т.А. Черняк // Научное приборостроение. 2015. Т. 25. №4. С. 61 - 66.
17. Оптико-электронная компьютерная система для обнаружения внешних агентов в подповерхностных слоях кожного покрова / Е.Е. Майоров, В.Т. Прокопенко, С.В. Удахина, Г.А. Цыганкова, Т.А. Черняк // Медицинская техника. 2016. № 2. С. 7 - 10.
18. Оптико-электронный прибор для контроля геометрических параметров диффузно отражающих объектов / В. Т. Прокопенко, Е.Е. Майоров, А.Ч. Машек, С.В. Удахина, Г.А. Цыганкова, А.Г. Хайдаров, Т.А. Черняк // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2016. Т. 59. № 5. С. 388 - 394.
19. Экспериментальное исследование метрологических характеристик автоматизированной интерферометрической системы измерения формы поверхности диффузно отражающих объектов / Е.Е. Майоров,
B.Т. Прокопенко, А.Ч. Машек, Г.А. Цыганкова, А.В. Курлов, М.В. Хохло-ва, Д.И. Кирик, Д.Д. Капралов // Измерительная техника. 2017. №10.
C. 33 - 37.
20. Исследование интерферометра Майкельсона с когерентно-ограниченным источником излучения для контроля диффузно отражающих объектов / Е.Е. Майоров, А.Ч. Машек, Г.А. Цыганкова, А.А. Поликарпова, А. А. Константинова, М.В. Хохлова // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. Вып. 4. С. 387 - 397.
Майоров Евгений Евгеньевич, канд. тех. наук, доцент, тщого\_ее а таИ.ги, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский университет технологий управления и экономики,
Хохлова Марина Владимировна, канд. пед. наук, доцент, тухох атаИ. ги, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Пушкина Вера Павлвна, канд. экон. наук, доцент, увга150465@,уапёвх. ги, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Ушакова Анастасия Сергеевна, преподаватель, assolia_2810@mail.ги, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский университет технологий управления и экономики,
Коцкович Владимир Богданович, канд. тех. наук, доцент, kotskoуich_уЪ@,mail.ги, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
236
Писарева Елена Алексеевна, преподаватель, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Михайловская военная артиллерийская академия,
Гулиев Рамиз Балахан оглы, канд. тех. наук, доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Университет при межпарламентской ассамблее ЕврАзЭС,
Арефьев Александр Владимирович, канд. физ.-мат. наук, доцент, aaref@yandex. ru, Россия, Санкт-Петербург, Университет при межпарламентской ассамблее ЕврАзЭС
THE ANALYSIS OF THE INTERFERENCE SIGNAL BY THE METHOD OF SQUARES
E.E. Maiorov, M.V. Khokhlova, V.P. Pushkina, A.S. Ushakova, V.B. Koskovich, E.A. Pisareva, R.B. Guliyev, A. V. Arefiev
The paper the interference signals reflected from the rough surface by the area method are analyzed. The most promising for surface topography measurements are interference devices are shown. To obtain the required information about the surface topography, the interference signals were subjected to analog and digital processing and analyzed by the method of squares. The scheme of synchronization of the interference device is given. The formation of delay pulses, which are necessary for the selection of areas with maximum speed is shown. At the delay pulse the scanning period was equal to TM./8, and the square wave Tm./4 was experimentally obtained.
Key words: interferometer, synchronization, square wave, pulse delay, period, method of squares.
Maiorov Evgeny Evgenievich, candidate. of technical sciences, docent, ma-jorov [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg University of management technologies and Economics,
Khokhlova Marina Vladimirovna, candidate. of pedagogical sciences, docent, mvxoxamail. ru, Russia, Saint-Petersburg, Military space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Pushkina Vera Pavlovna, candidate of economic sciences, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation,
Ushakova Anastasia Sergeevna, teacher, assolia 28I0a.mail. ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg University of Management Technologies and Economics,
Koskovich Vladimir Bogdanovich, candidate of technical sciences, docent, kotsko-vich vhamail. ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg State University of Aerospace Instrumentation,
Pisareva Elena Alekseevna, teacher, episareva@icloud. com, Russia, Saint-Petersburg, Mikhailovskaya Military Artillery Academy,
Guliyev Ramiz Balahan ogly, candidate of technical sciences, docent, ramiz63@yandex. ru, Russia, Saint-Petersburg, University at the Interparliamentary Assembly of EurAsEC,
Arefiev Aleksandr Vladimirovich, candidate of physical and mathematica sciences, docent, aaref@yandex. ru, Russia, Saint-Petersburg, University at the Interparliamentary Assembly of EurAsEC
