CC BY
22
Shchelnikov Valeriy Nikolaevich, candidate of technical sciences, senior researcher, vka-onr@mail. ru, Russia, Saint-Peterburg, Mozhaisky Military Aero Space Academy
УДК 681.787
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРАБОТАННОЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ ПОВЕРХНОСТИ ОБЪЕКТОВ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ
В.В. Курлов, В.Б. Коцкович, Е.Е. Майоров, В.П. Пушкина, И.С. Таюрская
В статье исследованы основные параметры интерференционной системы. Показано, что амплитуда информационного сигнала являются важнейшей характеристикой измерительного устройства, которая содержит информацию об измеряемом расстоянии, обеспечивает необходимую величину превышения полезного сигнала над уровнем шумов и помехозащищенность измерений. Получение информации об изменении амплитуды выходного сигнала при модуляции оптической разности хода позволяет визуализировать влияние спекл-модуляции на точность измерений. В процессе экспериментальных исследований регистрировались результаты измерений расстояния до плоской диффузной поверхности при различных углах падения зондирующего излучения. Контролируемая поверхность ориентировалась относительно зондирующего луча под углом в = 0°, 45°, 60°, 72°. Контроль осуществлялся по классической методике: смещение интерференционной картины на одну полосу соответствовало отклонению от плоскости на величину Х/2 ~ 0,3 мкм.
Ключевые слова: интерференционная система, спекл-модуляция, декорреляция, индикатора линейных перемещений, амплитуда информационного сигнала, погрешность измерений.
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, 2].
Контактные методы реализуются в различных конструкциях механических щупов. В настоящее время ведущие фирмы-производители оптико-механических приборов, такие, как Carl Zeiss, Renishaw, производят контактные щупы, позволяющие измерять рельеф поверхности с точностью до 1,0...0,1 мкм [3, 4].
Основными недостатками контактных методов являются низкая производительность, требование хорошей виброзащиты, относительно быстрый износ щупового элемента. Кроме того, использование контактных методов измерений может оказать негативное влияние на объекты с малой устойчивостью к механическому воздействию. Поэтому на использование контактных методов накладывается ограничение по классу контролируемых объектов. Также контактные методы не пригодны для решения динамических задач [5, 6].
Указанные недостатки исключаются применением бесконтактных методов контроля. Важное место среди них занимают оптические методы.
Оптические методы измерений рельефа поверхности и работа соответствующих приборов основаны на анализе светового излучения, отраженного от контролируемой поверхности [7, 8]. Анализ литературных данных показал, что наиболее перспективными в этом классе приборов являются интерферометрические. Приборы указанного типа имеют ряд преимуществ по сравнению с аналогичными устройствами геометрической оптики, а именно: точность, диапазон измерений, а также расстояние до контролируемой поверхности не зависят от апертурных углов освещения и наблюдения [9, 10]. Интерференционные приборы по точности измерений не уступают контактным, малогабаритны, удовлетворяют требованиям производственного контроля, просты в эксплуатации. Однако, несмотря на определенные успехи в практическом использовании этих систем, остаются нерешенными многие вопросы построения и эксплуатационных характеристик указанных систем. Отсутствуют какие-либо данные анализа метрологии неплоских поверхностей [11, 12]. Для расширения функциональных возможностей когерентно-ограниченных измерительных систем, повышения информационного содержания измерений и более широкого их внедрения в производственную практику необходимо детально рассмотреть амплитуду информационного сигнала, а также погрешность измерений разработанной интерференционной системы.
Поэтому целью работы явилось экспериментальное исследование разработанной интерференционной системы для измерений поверхности объектов сложной формы.
Амплитуда информационного сигнала. Амплитуда сигнала совместно с огибающей интерференционного сигнала являются важнейшими характеристиками измерительного устройства, которые содержат информацию об измеряемом расстоянии, обеспечивают необходимую величину превышения полезного сигнала над уровнем шумов и помехозащищенность измерений. Получение информации об изменении амплитуды выходного сигнала при модуляции оптической разности хода позволяет визуализировать влияние спекл-модуляции на точность измерений [13 ,14]. Исследование изменения амплитуды сигнала при сканировании контролируемой поверхности дает возможность объяснить механизм формирования огибающей интерференционного сигнала при декорреляции спекл-полей [14 - 18].
На рис. 1 и 2 проводились экспериментальное исследование указанных зависимостей.
Исследование изменения амплитуды выходного сигнала при сканировании поверхности сложной формы производились при смещении объекта относительно зондирующего излучения. В работе не ставилась задача изучения возможности влияния шероховатости поверхности на характеристики измерительной системы [19 - 24]. Поэтому измерения проводились с использованием одного объекта с аттестованной поверхностью. В качестве
180
объекта использовалась плоскопараллельная стеклянная пластина, шлифованная поверхность которой относилась к шестому классу шероховатости (Яа = 2,0...2,5 мкм).
Рис. 1. Экспериментальное исследование амплитуды выходного
сигнала: а - изменение амплитуды сигнала при перемещении зондирующего пятна по поверхности объекта; б - зависимость усредненной амплитуды выходного сигнала от размера зондирующего пятна (и) - амплитуда сигнала при й = 30 мкм
Пластина крепилась на подвижной части микрометрического столика (ОСК-2). Измерения проводились для различных значений диаметра зондирующего пятна. Последний изменялся посредством введения между оптическим щупом и поверхностью объекта стеклянных плоскопараллельных пластин различной толщины. В эксперименте использовались пластины толщиной 1,25 мм, 2,5 мм и 3,5 мм, что соответствовало диаметру зондирующего пятна 50 мкм, 70 мкм и 90 мкм. Результаты измерений показаны на рис. 1, а.
320 350 380 Д/>мкм 85 115 145 175 Az', мкм
Рис. 2. Экспериментальное исследование огибающей выходного сигнала при различных углах падения в зондирующего излучения
Из приведенных зависимостей следует, что на базовой длине порядка размеров освещенного участка поверхности амплитуда сигнала может изменяться более чем на порядок. Это объясняет наличие сильно деформированных участков огибающей при декорреляции спекл-полей [3, 8, 12, 19, 22, 25].
Действительно, при модуляции разности хода суперпозиция некоррелированных составляющих спекл-поля, имеющих различные амплитуды, приводит к дополнительной модуляции амплитуды интерференционного сигнала и, как следствие, - к деформации огибающей. Результаты исследования формы огибающей при различных углах падения зондирующего излучения представлены на рис. 2. Как следует из графиков, при увеличении угла падения увеличиваются длительность интерференционного сигнала и случайной модуляции огибающей. На рис. 1, б приведены результаты расчета зависимости среднего значения амплитуды сигнала от размера зондирующего пятна. Приведенная зависимость хорошо согласуется с теоретическими расчетами.
Погрешность измерений. В работе были проведены экспериментальные проверка и сравнение двух методов обработки выходного сигнала: метода дифференцирования огибающей и метода равенства площадей [9, 15, 21, 25]. В процессе экспериментальных исследований регистрировались результаты измерений расстояния до плоской диффузной поверхности при различных углах падения зондирующего излучения. Контролируемая поверхность ориентировалась относительно зондирующего луча под углом в = 0°, 45°, 60°, 72°. Для каждого из этих углов измерялось расстояние до поверхности при перемещении объекта относительно зондирующего пятна. Таким образом, номинальное расстояние до поверхности остава-
лось неизменным, и регистрировались флуктуации результатов измерений этого расстояния, обусловленные спекл-модуляцией огибающей выходного сигнала.
Объект крепился на микрометрическом столике под фиксированным углом к зондирующему излучению. Перемещение объекта относительно щупа осуществлялось с шагом 50 мкм. Для каждого угла в производилось 50 измерений.
В процессе эксперимента осуществлялся независимый контроль возможного отклонения перемещения столика от плоскопараллельного. Для этого был собран дополнительный интерферометр Майкельсона. Одно из зеркал интерферометра крепилось на столике и ориентировалось параллельно направлению перемещения. В качестве источника излучения использовался Не - № лазер с длиной волны X = 0,6328 мкм. Контроль осуществлялся по классической методике: смещение интерференционной картины на одну полосу соответствовало отклонению от плоскости на величину Х/2 ~ 0,3 мкм.
Результаты измерений показаны на рис. 3 и 4.
А X ч\ X
/ ^ i-> \ t-
\ х—: I с \ ) :
9 0 -9 -18
:м
20 0 -20 -30
t
\ /
х-:с
\
100 200 300 400 500
100 200 300 400 500
100 200 300 400 500
6 = 0°
100 200 300 400 500 х, мкм
8 = 30"
9 = 45"
X, мкм
X / \ -*- /\
\ ■
' \
\ / X \ 1
8 = 60"
X, мкм
X / V /
\ / \
ч, / \/ X
8 = 72"
100 200 300 400 500 х, мкм
Рис. 3. Флуктуации результатов измерений расстояния до объекта относительно среднего значения при обработке сигнала методом дифференцирования огибающей
183
62, мкм 1 0 -1 ) / !-X \ X / \ 0 = 0"
\
/ \ \ /
/ X X \ 3 / :
100 200 300 400 500
X, мкм
52, мкм
62, мкм
4 0 -4 А
6 О -6
-12
X X : : : »
3 Д С 9 : и X и X
е = зо°
100 200 300 400 500
X, мкм
3 / I э \ / I \
/ ' \ \ / X \
\ ! К \ ,
/ X V \ ^ х—
6 = 45'
100 200 300 400 500
§2, мкм
12 О -12 -24
: а \ / [ \
\ / X \
\ X. / \ \
\ 3 / N /
6 = 60'
100 200 300 400 500
62, мкм
16 О
-16 -32
3 :—х 3 с
\ / \ /
\ \ X /
\ / / X \ 3 / I
6 = 72'
100 200 300 400 500 х, мкм
Рис. 4. Флуктуации результатов измерений расстояния до объекта относительно среднего значения при обработке сигнала методом
площадей
На рис. 5, а приведен расчет среднего квадратического отклонения результатов измерений для двух методов. Как следует из рис. 5, а, метод площадей позволяет производить измерения с меньшей погрешностью, чем метод дифференцирования огибающей. Однако согласно сущности метода дифференцирования огибающей жесткая привязка положений максимума сигнала к прямому и обратному ходам сканирования опорного зеркала позволит выделить систематическую погрешность, которая может быть учтена в конечных результатах.
В работе проводилось также сравнение результатов измерений расстояния до объекта с независимыми измерениями, выполненными с помощью аттестованного прибора. В эксперименте измерялось изменение расстояния ¿2 до объекта, закрепленного на микрометрическом столике, при
184
его поступательном смещении по оси г. Параллельно проводились измерения с помощью индикатора линейных перемещений 1МИГ (ГОСТ 9696-75) с погрешностью отсчета показаний 0,5 мкм.
Результаты измерений представлены на рис. 5, б.
Л
/ \ ' метод ;i огибаю 4ффсрСН1 (нро BUH ИЯ 1сй лощадей
у \ " метод п
П. : |>:и
О 10 20 30 40 50 60 70 S0 40
S;,, МКМ
2 1 0 -1
О 20 40 60 80 100 Д7а, мкм
Рис. 5. Погрешность интерференционной системы: а - зависимость среднеквадратического значения флуктуацийрезультатов измерений расстояния до объекта от угла падения зондирующего излучения; б - сравнение результатов измерений расстояния до объекта Az с показаниями аттестованного прибора Aza öz = Az - Aza
Приведенные в настоящем работе результаты экспериментальных исследований хорошо согласуются с теоретическими расчетами.
Заключение. В результате выполнения работы исследована амплитуда выходного сигнала при сканировании контролируемой поверхности для различных размеров зондирующего пятна. Экспериментально подтверждены теоретические выводы зависимости амплитуды интерференционного сигнала от размера зондирующего пятна. Проведены экспериментальные проверка и сравнение двух методов обработки выходного сигнала: метода дифференцирования огибающей и метода равенства площадей. Получены результаты измерений расстояния до объекта с независимыми измерениями, выполненными с помощью аттестованного прибора.
Список литературы
1. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука. 1970. 855 с.
185
/\
-у :—х X /\
—К- X-3 [ С ! :
2. Колфилда Г. Оптическая голография; пер. с англ. под ред. Гуре-вича С.Б. М.: Мир. 1982. Т. 1. 374 с.
3. Франсон М., Сланский С. Когерентность в оптике: перевод с франц. под ред. Шифрина К.С. М.: Наука. 1967. 80 с.
4. Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Наука. 1976. 926 с.
5. Малакара Д. Оптический производственный контроль: пер. с англ. под ред. Соснова А.Н. М.: Машиностроение. 1985. 340 с.
6. Креопалова Г.В., Лазарева Н.Л., Пуряев Д.Т. Оптические измерения. М.: Машиностроение. 1987. 264 с.
7. Афанасьев В.А. Оптические измерения. М.: Недра. 1968.
263 с.
8. Майоров Е.Е, Прокопенко В. Т. Интерферометрия диффузно отражающих объектов: монография. НИУ ИТМО, 2014. 195 с.
9. Maiorov E.E., Prokopenko V.T., Mashek A.C., Tsygankova G.A., Kurlov A.V., Khokhlova M.V., Kirik D.I., Kapralov D.D. Experimental study of metrological characteristics of the automated interferometric system for measuring the surface shape of diffusely reflecting objects // Measurement Techniques. 2018. Vol. 60 (10). P. 1016-1021. DOI: 10.1007/s11018-018-1310-z.
10. Maiorov E.E., Prokopenko V.T., Sherstobitova A.S. Investigating an optoelectronic system for interpreting holographic interferograms // Journal of Optical Technology. 2013. Vol. 80. No. 3. P. 162-165. DOI: 10.1364/ J0T.80.000162.
11. Котов И.Р., Майоров Е.Е., Хопов В.В. Интерферометрические исследования биологических объектов // Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. 2004. №15. С. 70-72.
12. Майоров Е.Е., Прокопенко В.Т., Ушверидзе Л.А. Расчет параметров сканирования интерферометрической системы контроля формы диффузно отражающих объектов // Приборы. 2012. Вып. № 7 (145). С. 2325.
13. Майоров Е.Е., Машек А.Ч., Прокопенко В.Т., Чистякова Н.Я. Исследование метрологических характеристик измерительной оптико-механической головки // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2012. Т. 55. Вып. № 7. С. 59-65.
14. Майоров Е.Е., Машек А.Ч., Прокопенко В.Т., Хайдаров Г.Г. Применение поперечно-сдвиговой интерферометрии в голографической интерферометрии для контроля диффузно отражающих объектов // Вестник Санкт-Петербургского университета. 2012. Вып. № 4. С. 31-35.
15. Майоров Е.Е, Прокопенко В.Т. Исследование влияния спекл-структуры на формирование интерференционного сигнала и погрешность измерений // Научное Приборостроение. 2013. Т. 23. Вып. № 2. С. 38-46.
16. Майоров Е.Е. Метод устранения влияния декорреляции спекл-полей на точность измерений и динамический диапазон интерференционного сигнала // Научное обозрение. 2013. Вып. № 9. С. 329-332.
17. Майоров Е.Е., Машек А.Ч., Удахина С.В., Цыганкова Г.А., Хай-даров Г.Г., Черняк Т.А. Разработка компьютерной интерференционной системы контроля негладких поверхностей // Приборы. 2015. Вып. № 11 (185). С. 26-31.
18. Майоров Е.Е., Машек А.Ч., Удахина С.В., Цыганкова Г.А., Хай-даров Г.Г., Черняк Т.А. Алгоритмы обработки информационного сигнала компьютерной интерференционной системы контроля негладких поверхностей // Научное Приборостроение. 2015. Т. 25. Вып. № 4. С. 61-66.
19. Прокопенко В.Т., Майоров Е.Е., Машек А.Ч., Удахина С.В., Цыганкова Г. А., Хайдаров А.Г., Черняк Т. А. Оптико-электронный прибор для контроля геометрических параметров диффузно отражающих объектов // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2016. Т. 59. Вып. № 5. С. 388-394. Б01: 10.17586/0021-3454-2016-59-5-388-394.
20. Майоров Е.Е, Прокопенко В.Т., Машек А.Ч., Цыганкова Г.А., Жаркова Т.В., Хохлова М.В., Писарева Е.А. Способ устранения погрешности продольной составляющей спекл-структуры при работе интерферометра Майкельсона // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2018. Т. 61, № 3. С. 267-273. Б01: 10.17586/0021-3454-2018-61-3-267-273.
21. Майоров Е.Е, Машек А.Ч., Цыганкова Г.А., Поликарпова А.А., Константинова А. А., Хохлова М.В. Исследование интерферометра Май-кельсона с когерентно-ограниченным источником излучения для контроля диффузно отражающих объектов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. Вып. 4. С. 387- 397.
22. Майоров Е.Е, Туровская М.С., Литвиненко А.Н., Черняк Т.А., Дагаев А.В., Писарева Е.А. Способ минимизации влияния спекл-модуляции на результаты измерений интерферометра, работающего в триггерном режиме // Научные Ведомости Белгородского Государственного Университета. 2018. Том. 50. №2. С. 170-178. Б01: 10.18413/2075-46392018-50-2-170-178.
23. Майоров Е.Е, Машек А.Ч., Цыганкова Г.А., Абрамян В.К, Хайдаров Г.Г., Хайдаров А.Г., Константинова А.А. Анализ интерференционного сигнала когерентно-ограниченной системы контроля негладких поверхностей // Известия ЮФУ. Технические науки. 2018. №2. С. 221-233. Б01: 10.23683/2311-3103-2018-2-221-233.
24. Майоров Е.Е., Туровская М.С., Шаламай Л.И., Черняк Т.А., Хохлова М.В., Таюрская И.С., Константинова А.А., Арефьев А.В. Обработка интерференционного сигнала, отраженного от биологического объекта методом дифференцирования // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2019. № 11. С. 23-31. Б01: 10.25791/ pribor.11.2019.1003.
25. Майоров Е.Е., Хохлова М.В., Пушкина В.П., Ушакова А.С., Коцкович В.Б., Писарева Е.А., Гулиев Р.Б., Арефьев А.В. Анализ интерференционного сигнала методом площадей // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 2. С. 232237.
Курлов Виктор Валентинович, канд. техн. наук, доцент, vitek543@,ramblerl. ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Коцкович Владимир Богданович, канд. техн. наук, доцент, kotskovich vhamail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Майоров Евгений Евгеньевич, канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, majorov eeamail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Университет при Межпарламентской Ассамблее ЕврАзЭС,
Пушкина Вера Павловна, канд. экон. наук, доцент, vera150465@yandex. ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Таюрская Ирина Соломоновна, канд. экон. наук, доцент, tis ivesepamail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Университет при Межпарламентской Ассамблее ЕврАзЭС
EXPERIMENTAL STUDY OF THE DEVELOPED INTERFERENCE SYSTEM FOR MEASURING THE SURFACE OF OBJECTS OF COMPLEX SHAPE
V.V. Kurlov, V.B. Koskovich, E.E. Maiorov, V.P. Pushkina, I.S. Tayurskaya
The article the main parameters of the interference system are examined. The amplitude of the information signal is the most important characteristic of the measuring device, which contains information about the measured distance, provides the necessary amount of excess of the useful signal above the noise level and noise immunity of measurements is shown. Obtaining information about the change in the output signal amplitude when the optical path difference is modulated allows you to visualize the effect of speckle modulation on the measurement accuracy. In the course of experimental studies, the results of measurements of the distance to a flat diffuse surface at different angles of incidence of the probing radiation were recorded. The controlled surface was oriented relative to the probing beam at an angle в = 0°, 45°, 60°, 72°. The control was carried out according to the classical method: the decrease of the interference pattern by one band corresponded to a deviation from the plane by the value of X / 2 ~ 0.3 ¡m.
Key words: interference system, speckle modulation, decorrelation, linear displacement indicator, information signal amplitude, measurement error.
Kurlov Viktor Valentinovich, candidate of technical sciences, docent, vitek543aramblerl. ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation (GUAP),
Koskovich Vladimir Bogdanovich, candidate of technical sciences, docent, kotsko-vich vbamail. ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation (GUAP),
Maiorov Evgeny Evgenievich, candidate of technical sciences, docent, head of chair, majorov ee a mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, University at the inter-parliamentary Assembly of EurAsEC,
Pushkina Vera Pavlovna, candidate of economic sciences, docent, vera150465a, yandex. ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation (GUAP),
Tayurskaya Irina Solomonovna, candidate of economic sciences, docent, tis_ivesep@,mail. ru, Russia, Saint-Petersburg, University at the EurAsEC inter-parliamentary Assembly
УДК 62-529
ПРОЕКТИРОВАНИЕ МЕХАТРОННОГО МОДУЛЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПНЕВМАТИЧЕСКИМ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ
СТЕНДОМ
Д.В. Сладков
В статье рассмотрены ключевые аспекты и процесс проектирования ме-хатронного модуля, представляющего собой электрическую схему с различными интерфейсами и каскадами обработки сигналов на базе микроконтроллера, системы управления пневматическим стендом.
Ключевые слова: микроконтроллер, интерфейс, цифро-аналоговый преобразователь, аналого-цифровой преобразователь, датчик, сигнал.
Объектом исследования является пневматический экспериментальный учебный стенд кафедры САУ ТулГУ, предназначенный для снятия статических характеристик пневматических рулевых приводов ЛА. В опубликованной ранее статье [1] было выделено несколько ключевых задач, требующих решения при модернизации исследуемого стенда. Многие из них связаны с инженерным проектированием мехатронного модуля на базе микроконтроллера, процесс которого рассматривается в данной статье.
Проектирование произведено в программном пакете Altium Designer [2], поскольку он является одним из наиболее удобных для разработки электрических схем и дальнейшего проектирования печатных плат, конвертации файлов в другие программные пакеты, а также в свободном доступе имеется большое количество библиотек элементов.
Разработка системы питания микроконтроллера (МК), а также реализация и подключение всех необходимых портов и интерфейсов проведена в соответствии с рекомендациями технической спецификации изделия (Datasheet).
Питание всей системы принято осуществлять от лабораторного блока питания напряжением 15 В. Использование такого источника питания позволяет также реализовать выходной каскад системы управления электромеханическим преобразователем рулевой машинки на базе двух операционных усилителей, входным сигналом которых является импульсный сигнал с цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) микроконтроллера.
