CC BY
148
УДК 528.2:528.389
ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЧНОСТИ
ЛАЗЕРНОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА ПЕРЕМЕЩЕНИЙ Александр Викторович Куликов
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, заведующий метрологической лабораторией, тел. (383)344-44-71, email: metrol@ssga.ru
Лазерная измерительная система ML10 Gold Standardг является главной составляющей компаратора СГГ А. Система предназначается для метрологического обеспечения геодезических работ. Линейные измерения от 0 до 40 м, точность 0,025 мкм ± 0,7 мкм/мм.
Ключевые слова: точность, лазерная измерительная система ML10.
RESEARCH OF LASER DISPLACEMENT INTERFEROMETER ACCURACY Alexander V. Kulikov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Head of Metrological Laboratory, tel. (383)343-44-71, e-mail: metrol@ssga.ru
Laser measuring system ML10 Gold Standard is a basic component of SSGA comparator. The system is intended for metrological assurance of geodetic works (linear measurements of 0 to 40 m, with ±0,7 ppm accuracy).
Key words: accuracy, laser measuring system ML10.
Ошибка, которую обычно приходится наблюдать при представлении результатов линейных измерений, характеризуется постоянным углом наклона. Такое поведение может быть связано с ошибками, которые имеются в системе измерений с обратной связью. Это, тем не менее, может быть вызвано одной из следующих ошибок измерений:
- неверной компенсацией изменения длины волны лазерного излучения в воздухе;
- неправильной компенсацией теплового расширения направляющих компаратора;
- неудачным выбором места установки датчика измерения температуры воздуха;
- вторичной статической ошибкой;
- неверным расположением датчиков измерения температуры направляющих компаратора;
- статическими ошибками;
- ошибкой юстировки;
- ошибкой смещения Аббе;
- локальными источниками тепла;
- неправильным расположением оптических элементов;
- отсутствием жесткости в местах крепления оптических элементов.
Рассмотрим наиболее значимые ошибки:
а) ошибка юстировки. Любое отклонение траектории распространения лазерного луча от оси перемещения приводит к отличию между измеренным и фактическим перемещением (см. рис. 1). Эту ошибку мы будем называть ошибкой юстировки. Ее значение зависит от величины угла, образованного лазерным лучом и осью перемещения, который на рис. 1 обозначен как □. Ошибка юстировки лазерной интерферометрической системы приводит к тому, что измеряемое перемещение оказывается меньше, чем
фактически пройденное расстояние. Из приведенной ниже табл. 1 видно насколько сильно величина этой ошибки растет с увеличением угла между лучом и осью перемещения.
Рис. 1. Ошибка юстировки
Таблица 1
Угол в (мм/м) Угол в (угловые минуты) Ошибка
0,45 1,53 0,1
1,00 3,43 0,5
1,40 4,87 1,0
3,20 10,87 5,0
4,50 15,39 10,0
10,00 35,39 50,0
Чтобы избавиться от ошибки юстировки, измерительный лазерный луч следует располагать параллельно оси перемещения каретки по направляющим интерференционного компаратора. В СГГА разработана методика юстировки интерферометра ML 10. Настоящая методика предназначена для юстировки параллельности оси лазерного луча излучателя направлению перемещения каретки компаратора на всей длине перемещения, а также для оценки работоспособности интерферометра ML 10 в составе компаратора КИ - 24000.
Примечание - Лазером называется устройство, в котором используется эффект вынужденного излучения активной среды для генерации и усиления электромагнитных колебаний оптического и инфракрасного диапазона волн.
Для компенсации наклона при измерениях прямолинейности в СГГА разработана методика контроля и регулировки параметров направляющих компаратора интерференционного. Настоящая методика устанавливает методы, средства контроля и регулировки параметров направляющих компаратора в процессе его эксплуатации;
б) статическая ошибка. Статическая ошибка связана с изменением параметра компенсации в процессе линейных измерений, использующих автоматическую компенсацию параметров окружающей среды. Обычно статическая ошибка пренебрежимо мала и возникает в процессе измерений только в том случае, если после определения точки отсчета происходит изменение параметров окружающей среды.
Статическая ошибка, возникающая при измерении перемещения L2, зависит от расстояния между оптическими элементами системы L1, соответствующего точке отсчета системы (см. рис. 2). Предположим, линейный интерферометр и рефлектор не движутся, а изменение параметров окружающей среды приводит к изменению длины волны лазерного излучения в воздухе. Это изменение происходит на всем расстоянии L1 + L2, однако компенсация будет учитываться только на протяжении L2. Таким образом, статическая ошибка будет связана с отсутствием компенсации на длине L1.
Рис. 2. Статическая ошибка
Тем не менее, если стационарный и подвижный оптические элементы в момент определения нулевой точки соприкасаются (см. рис. 3), статическая ошибка пренебрежимо мала.
ВИД СБОКУ ТОЧКА
ОТСЧЕТА
Рис. 3. Минимизация статической ошибки
Следовательно, если это возможно, оптические элементы при определении нулевой точки лазерной интерферометрической системы нужно располагать вплотную друг к другу. Если расстояние между ними в пределах 10 мм, статическая ошибка обычно пренебрежимо мала;
в) ошибка смещения Аббе. Если лазерный луч параллелен, но смещен относительно оси калибровки, угловые ошибки направляющих компаратора (в том числе, по углам рысканья и тангажа) могут привести к возникновению при измерениях ошибки смещения Аббе (см. рис. 4).
Для того, чтобы минимизировать влияние ошибки смещения Аббе, измерительный лазерный луч должен располагаться в непосредственной близости от оси, вдоль которой осуществляются измерения (в идеале совпадать с ней). Например, для того, чтобы измерить точность линейного позиционирования вдоль оси Z направляющих, выполненных в виде двух параллельных труб, измерительный луч лазерного интерферометра должен совпадать с осью симметрии трубы.
Это позволит минимизировать влияние угловых ошибок при перемещении каретки интерференционного компаратора по углу рысканья или тангажа на точность лазерных измерений. Угловое отклонение всего лишь на одну угловую секунду приводит к возникновению ошибки линейных измерений, которая составляет приблизительно 0,005 мкм/мм величины смещения. В табл. 2 приведены примерные величины ошибок,
выраженные в микрометрах, которые соответствуют угловым отклонениям по углу рысканья или тангажа, для различных смещений, приведенных в табл. 2.
1Д СВЕРХУ
И
ОЗЕРНЫЙ ТОК мио
СМ Е ЩЕ Н И Е (1 00 мм )
vrcm
'l- РЫСКАНЬЯ
1 (5 УГЛ. СЕК.]
1 . \
ОСЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ
ЦЕНТР ВРАЩЕНИЯ
Рис. 4. Ошибка смещения Аббе
Таблица 2
Угловое отклонение Величина смещения (мм)
(угловые секунды) 5 10 50 100 500
1 0,024 0,048 0,24 0,48 2,40
2 0,048 0,097 0,48 0,97 4,80
5 0,120 0,240 1,20 * 2,40 12,00
10 0,240 0,480 2,40 4,80 24,00
20 0,480 0,970 4,80 9,70 48,00
б0 1,450 2,900 14,50 29,00 145,00
120 2,900 5,800 29,00 58,00 290,00
* Соответствует ситуации, показанной на рис. 3
Если угол смещения все время остается неизменным, ошибка смещения Аббе не возникает, поскольку подвижный оптический элемент будет все время отклоняться от 'точки вращения' вперед или назад на одно и то же расстояние, а лазерный интерферометр работает по принципу дифференциальных измерений (т. е. по отношению к точке отсчета).
Интерферометрическая установка Renishaw «ML10 Gold Standard» является идеальным техническим решением для выполнения полной калибровки любых позиционных систем, измерения широкого спектра геометрических и динамических характеристик. Система имеет гибкое модульное строение, а комплектация определяется в соответствии с конкретными метрологическими задачами и условиями применения.
Рис. 5. Измерительная система Renishaw «ML10 Gold Standard»
Лазерный блок «ML10» - основа измерительной системы в интнрференционном компараторе СГГА. Он основан на применении гелий-неоновой (HeNe) лазерной трубки, производящей стабилизированный лазерный луч с длиной волны - 633 нм.
Характеристики каждого лазера системы «ML10» проходят поверку на основе эталонов Сибирского научно-исследовательского института метрологии. Входящий в состав системы блок компенсации «ЕС10» постоянно следит за состоянием окружающей среды в рабочей зоне, получая данные с высокоточных датчиков температуры, давления и влажности воздуха. В конечном итоге система позволяет добиться высочайшей точности -0,7 мкм/м в диапазоне рабочих температур от 0 С0 до 40 С0.
Специальное программное обеспечение «Laser 10» полностью контролирует процесс подготовки системы и сами измерения. Анализ же результатов тестирования осуществляется в соответствии с международными стандартами ISO 9000.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Особенности построения интерференционного компаратора для исследования и поверки геодезических СИ / Л. Г. Куликова, В. Д. Лизунов, В .А. Середович, В. Т. Новоевский, А. В. Куликов // ГЕО-Сибирь-2005. Науч. конгр. : сб. материалов в 7 т. (Новосибирск, 25-29 апреля 2005 г.). - Новосибирск: СГГА, 2005. Т. 6. - С. 217-222.
2. Руководство по эксплуатации лазерной интерферометрической системы.
Линейные измерения [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http :RENISHOW / Help%20Files / Linear.chm/.
© А. В. Куликов, 2014
