CC BY
53
КОНСТРУКЦИИ И СИСТЕМЫ ТОЧНЫХ ПРИБОРОВ
УДК 621.383:531.71
О. А. Абакшина, Г. В. Егоров, С. М. Латыев, С. С. Митрофанов
МОДЕРНИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИНДИКАТОРОВ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
Рассматриваются результаты модернизации конструкций фотоэлектрических индикаторов линейного перемещения. Представлена схема устройства для контроля радиусов кривизны сферических поверхностей с использованием индикатора.
Ключевые слова: фотоэлектрические индикаторы, линейные измерения.
Конструкции типовых фотоэлектрических индикаторов, предназначенных для измерения линейных размеров, достаточно разнообразны. Среди них различают:
— бесконтактные фотоэлектрические индикаторы, принцип действия которых основан на измерении расстояний с помощью лазерных диодов [1]; бесконтактные индикаторы, иначе называемые датчиками положений или расстояний (выпускаемые фирмами "Turck", "Ervin", SICK, "Pepperl+Fuchs", "Omron"), используются в основном для обнаружения объектов и реже — для измерения расстояний, при этом погрешность измерения достигает больших значений;
— контактные индикаторы, в которых используется растровое сопряжение линейных шкал [2, 3]; контактные индикаторы выпускаются разными компаниями.
В настоящей статье будем рассматривать отечественные, изготавливаемые СКБ ИС (Санкт-Петербург), контактные индикаторы как наиболее широко применяемые. СКБ ИС выпускает ряд фотоэлектрических преобразователей линейных перемещений со штоком: ЛИР-14, ЛИР-15, ЛИР-17, ЛИР-19. В настоящее время разработан и готовится к выпуску преобразователь линейного перемещения со штоком и жидкокристаллическим индикатором ЛИР-17И, который более всего соответствует понятию „фотоэлектрический индикатор линейного перемещения".
Рассмотрим индикатор ЛИР-17И в качестве примера. Принцип его функционирования поясняется схемой, приведенной на рис. 1: линейное перемещение штока 5 преобразуется с помощью измерительного 1 и индикаторного 3 оптических растров в изменение интенсивности светового потока, падающего на фотоприемники 4, которые вырабатывают пропорциональные аналоговые электрические сигналы U1 и U2. В результате усиления и обработки этих сигналов с использованием преобразователей 6, 7 и устройств 8, 9 формируются счетные электрические импульсы.
Функция, связывающая перемещение штока с числом n счетных импульсов, имеет вид
V кТ А
Y = — n = An,
4
где Т — период деления растров, к — коэффициент деления интерполятора, А — цена счетного импульса в линейной мере.
Недостатками данного индикатора являются относительная сложность конструкции, необходимость юстировки преобразователя, а также малое расстояние между измерительным и индикаторным растрами (10—80 мкм).
Цифровой дисплей
Рис. 1
Одно из возможных решений по упрощению конструкции индикатора — использование в качестве приемников излучения позиционно-чувствительных фотоприемников, таких как ПЗС-линейка, фотоприемник „мультискан" [2], фотоприемник PSD фирмы "Hamamatsu" (Япония).
При разработке авторами настоящей статьи конструкции фотоэлектрического индикатора был сделан выбор в пользу фотоприемника „мультискан", так как при его использовании упрощается не только конструкция индикатора, но и последующая обработка электрического аналогового сигнала.
Функциональная схема индикатора на базе позиционно-чувствительного приемника
„мультискан" представлена на рис. 2.
При перемещении измерительного штока 1 происходит смещение центра светового пятна, создаваемого светодиодом 2, на светочувствительной площадке „муль-тискана" 3, с которого снимается аналоговый электрический сигнал U.
Искомое перемещение Y определяется как
Y = U, U0
где L0 — длина светочувствительной площадки „мульти-скана", U0 — опорное напряжение, подаваемое на „муль-тискан", U — измеряемое напряжение.
На основе предложенной схемы (см. рис. 2) был спроектирован и изготовлен макет индикатора. Для нахождения его точностных характеристик методом сравнения с образцовыми концевыми мерами длины (Lt ср)
класса точности 1 согласно ГОСТ 9083-73 определялось предельное значение погрешности измерений. Результаты измерений приведены на рис. 3: видно, что изменение погрешности составило величину AY = 0,02 мм, а СКО о = 0,007 мм. Была измерена также нелинейность работы индикатора, график которой приведен на рис. 4.
Y
\1/
1
Рис. 2
3
4
6
8
9
Модернизация конструкций фотоэлектрических индикаторов
67
Разработанный индикатор может быть применен в устройстве для контроля радиусов сферических поверхностей оптических деталей. Функциональная схема такого устройства представлена на рис. 5, где 1 — измерительный шток, 2 — источник излучения, 3 — позицион-но-чувствительный приемник „мультискан", 4 — оптическая деталь; 5 — сферическая опора.
ДГ, мм
0,015
0,01
0,005
-0,005
Рис. 3
Б/2
ди, В 1,8
1,6
1,4
1,2
1
0,8 0,6 0,4 0,2
0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Ь, , мм
' 77 7 7 'ср'
Рис. 4
Сферическая опора
Индикатор
Ч/
Рис. 5 Рис. 6
Радиус сферической поверхности вычисляется следующим образом:
пА
± г =-+
2
Я =
Б2 у В2 + —± г =
8 У
+ — ± г . 8пА 2
где В — диаметр опорного кольца, г — радиус сферической опоры-шара (для вогнутой поверхности знак „плюс", для выпуклой — „минус"), у — стрелка прогиба линзы.
Внешний вид сферометра на основе „мультискана" приведен на рис. 6.
Индикаторы на базе приемника „мультискан" могут быть использованы также для контроля линейных размеров с возможностью алгоритмической коррекции погрешностей и с точностью не ниже имеющихся аналогов.
Подобный сферометр может быть изготовлен и на основе индикатора ЛИР-15. Функциональная схема такого сферометра аналогична приведенной на рис. 5. Однако в этом
0
случае стоимость сферометра будет существенно выше вследствие более сложной конструкции индикатора ЛИР-15 (схема которого аналогична схеме индикатора ЛИР-17И, рис. 1).
Оба сферометра — и на основе „мультискана", и на основе ЛИР-15 — имеют ряд погрешностей, влияющих на точность измерений: погрешность измерения диаметра опорного кольца (AD); погрешность измерения радиуса сферических опор (Ar); контактная деформация линзы и опор, обусловленная весом линзы (АРл); контактная деформация линзы и сферического наконечника штока под действием мерительного усилия (АРн); погрешность измерения стрелки прогиба (Ау); влияние отклонение температуры окружающей среды от номинального значения (AT). Сферометру на основе ЛИР-15 присуща, кроме того, погрешность измерения радиуса, возникающая из-за смещения штока относительно центра опорного кольца (несоосность — Ае).
Перечисленные погрешности оказывают существенное влияние на точность контроля радиусов сферических поверхностей, но могут быть скомпенсированы алгоритмически [4].
Расчет погрешностей производился при следующих параметрах сферометра на основе ЛИР-15: диаметр опорного кольца 30 мм, радиус наконечника штока 2,5 мм, максимальная допустимая погрешность 1,025 мкм, радиус шаровых опор 2,306 мм, несоосность 5 мкм.
Предварительная оценка погрешностей представлена ниже.
AD, мкм..................................................... 0,9
Ar, мкм...................................................... 0,2
Ау, мкм...................................................... 0,22
АРл, мкм.................................................... 1,44-Ш-4
АРн, мкм.................................................... 1,44-Ш"4
AT, мкм.....................................................5,69-10-2
Ае, мкм...................................................... 1,34-Ш"4
AYS, мкм.................................................... 0,95
Как показал предварительный анализ, сферометр на основе ЛИР-15 может работать с точностью не ниже точности известных аналогичных сферометров, стоимость которых существенно выше.
На макете сферометра, собранном на основе индикатора ЛИР-15, были произведены измерения радиусов поверхностей образцовой выпуклой линзы: ^вып = 80,17 мм, СКО которой о = 0,0013 мм, и образцовой вогнутой линзы: ^вог = 131,83 мм, для которой о = 0,0007 мм.
Исследования разработанных устройств на основе „мультискана" и индикатора ЛИР-15 подтвердили их работоспособность и высокие технические характеристики при минимальных материальных затратах. Эти устройства целесообразно использовать в качестве сферометров для контроля радиусов деталей оптических приборов и радиусов сферических поверхностей деталей газодинамических опор гироскопических приборов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лысенко О. Фотоэлектрические датчики компании SICK AG //Электронные компоненты. 2005. № 5, 6.
2. ЗАО „ТЕХНОЭКСАН". Каталог продукции (позиционно-чувствительный приемник „Мультискан") [Электронный ресурс]: <www.technoexan.ru>.
3. Датчики перемещения СКБ ИС — ЛИР-14 (Инкрементный преобразователь линейных перемещений) [Электронный ресурс]: <www.skbis.ru>.
4. Латыев С. М. Конструирование точных (оптических) приборов: Учеб. пособие. СПб: Политехника, 2007. С. 295—300, 312—316.
Сведения об авторах
Ольга Алексеевна Абакшина — аспирант; Санкт-Петербургский государственный университет ин-
формационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютеризации и проектирования оптических приборов
Формирование муар-интерференционной картины
69
Геннадий Васильевич Егоров
Святослав Михайлович Латыев
Сергей Сергеевич Митрофанов —
доцент; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютеризации и проектирования оптических приборов
д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютеризации и проектирования оптических приборов; зав. кафедрой; E-mail: smlatyev@yandex.ru
канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютеризации и проектирования оптических приборов; E-mail: m1990s@mail.ru
Рекомендована кафедрой компьютеризации и проектирования оптических приборов
Поступила в редакцию 26.04.11 г.
УДК 531.7.082.5:535.42
В. Н. Назаров, А. Н. Иванов
ФОРМИРОВАНИЕ МУАР-ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОИ КАРТИНЫ ПРИ ДИФРАКЦИИ НА ЩЕЛИ МЕЖДУ КРАЕМ С КОНЕЧНОЙ ТОЛЩИНОЙ
И ЗЕРКАЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ
Рассматривается модель формирования муар-интерференционных полос при дифракции излучения на щели, образованной между краем объекта, имеющим конечную толщину, и плоской отражающей поверхностью. Выведена зависимость, связывающая толщину края и форму полос.
Ключевые слова: дифракция, муар, измерения.
Введение. Совершенствование методов дифракционного контроля в целях увеличения их точности и чувствительности возможно, как показано в работах [1—3], при использовании особого распределения фазы входного сигнала на поверхности контролируемого объекта. Один из способов формирования необходимого распределения фазового сигнала — освещение объекта двумя волновыми фронтами, распространяющимися под углом 2 9, где 9 — угол
падения волны на объект [ 1, 2]. Тогда, в соответствии с теоремой трансляции для преобразования Фурье, изменение формы объекта приведет к появлению разности фаз частотных спектров, формирующихся при дифракции света:
Ф = 2кД|9| , (1)
где к — волновое число, Д — смещение оси симметрии объекта.
В случае когда Д = / (у), т.е. когда ось симметрии объекта смещается в соответствии с
каким-либо законом, разность фаз Ф изменяется пропорционально смещению Д. Наложение частотных спектров с разными значениями фазы приводит к появлению муар-интерференционных полос.
Для проверки данного положения были исследованы дифракционные картины на щели между краем объекта, имеющим малую толщину, и плоской отражающей поверхностью. Благодаря делению волнового фронта на зеркале формируются два волновых фронта, распространяющиеся под углом 2 9. В ходе расчетов было получено выражение, описывающее распределение амплитуды на щели в дальней области:
