CC BY
115
УДК 528.2:528.389
Л.Г. Куликова, В.Д. Лизунов, В.А. Середович, В. Т. Новоевский, А.В. Куликов СГГ А, Новосибирск
ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОГО КОМПАРАТОРА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПОВЕРКИ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ СИ
При поверке штриховых мер длины на компараторах используют два метода измерений: метод сравнения измеряемой меры с эталоном-мерой и метод абсолютный интерференционный - в длинах волн эталонного источника излучения. Наиболее перспективен для использования второй метод, так как в качестве источников излучения в настоящее время повсеместно применяются стабилизированные лазеры. Учитывая, что в 1983 г. на Генеральной конференции по мерам и весам решён вопрос о новом определении метра, при воспроизведении которого будет применено стабилизированное излучение лазеров определённых длин волн, указанный метод отвечает международным требованиям при передаче значений единицы длины.
Компараторы для измерений штриховых мер длины абсолютным интерференционным методом строятся по двум типичным схемам.
В схеме типа 1 измеряемая мера установлена на перемещающейся каретке, к которой закреплён отражатель лазерного измерителя перемещений, а фотоэлектрический микроскоп для регистрации положения штриха меры и лазерный измеритель перемещений закреплены неподвижно на станине компаратора.
Интерференционный компаратор СГГА проектируется по схеме типа 2 (рис. 1), где измеряемая мера 1 неподвижна. Расстояние между штрихами регистрируется подвижным микроскопом 2, который несёт на себе отражатель 3 лазерного измерителя перемещений 4, закрепленного на неподвижной станине 5.
Рассмотренные методы измерений показывают, что измерения абсолютным интерференционным способом с перемещаемой штриховой мерой длины возможны и рациональны для измерений расстояний 1^3 м. При измерении расстояний более 3 м возникают сложности с изготовлением соответственно кареток перемещаемого стола и направляющих для перемещения. Измерения абсолютным интерференционным способом по схеме Вяйселя [1] пригодны лишь для дискретных величин, зависящих от применяемого в схеме эталона штрихоконцевой меры в виде геодезического жезла, изготовленного из оптического кварцевого стекла. Настройка такого измерительного устройства весьма сложна и практически не применяется.
Наиболее выгодным представляется метод измерения с неподвижной штриховой мерой и подвижным измерительным микроскопом и дополнительными центрирующими и контактными устройствами при измерении штриховых мер и калибровке приборов для измерений больших длин типа оптических дальномеров. Исследование и методика измерений на таких компараторах рассмотрена авторами в отчёте о научной работе по созданию компаратора и в данном докладе подробно не рассматривается.
Исследования проводились с использованием эталонов штриховых мер 2го разряда и эталонных измерителей перемещений лазерных (ИПЛ) двух типов: LA-3002 производства Чехословакии и HP5529A фирмы Agilent США. При аттестации ИПЛ, которая проводилась на эталонах Сибирского научноисследовательского института метрологии (СНИИМ), средняя квадратическая погрешность измерений (СКП) на длине 1 м не превышала 1 мкм. Сравнения результатов аттестации эталонов ИПЛ на компараторе Института ядерной физики (ИЯФ) СО РАН на длине 24 м не превышали 3 мкм, а предельно допустимая погрешность измерений при вероятности 0,95 оценивалась и не превышала 8^9 мкм.
В ходе исследований выяснились основные источники погрешности измерений, которые существенно зависят от конструкции и способа регистрации отсчётным микроскопом положения штриха меры, особенно при контактном способе регистрации, а также от изменения положения отсчётного микроскопа за счёт непрямолинейности направляющих и изменения температуры в процессе измерения.
Анализ результатов измерений рабочих эталонов длины 2-го разряда инварных проволок и лент в количестве 10 штук и результаты аттестации ИПЛ в течение 10 лет (5 протоколов) показали, что значение длины штриховых эталонов значительно изменяется, в то же время, эталоны ИПЛ изменились незначительно. Это свидетельствует о необходимости совершенствования схемы и устройства для измерения штриховых мер длины. При разработке проекта компаратора СГГА особое внимание было уделено:
- Совершенствованию метода регистрации положения штриха меры (бесконтактный фотоэлектрический метод);
- Коррекции результатов измерений от непрямолинейности перемещения регистрирующего устройства и учёта поправок на рефракцию по трассе измерения.
На рис. 1 представлена принципиальная схема компаратора.
Как отмечалось ранее, непрямолинейность направляющих в такой измерительной системе вызывает наклон регистрирующего устройства (микроскопа), что вносит погрешность регистрации положения штриха, величина которой пропорционально связана с несоблюдением принципа Аббе при измерении. Учитывая, что технологически невозможно создать высокоточные направляющие, тем более неизменные во времени, на современном этапе развития науки и техники возможен контроль изменения положения элементов конструкции и ввода соответствующих поправок. Для корректировки результатов измерений штриховых мер длины от несоблюдения принципа Аббе [2] в измерительное плечо интерферометра введён дополнительный блок измерения углового положения регистрирующего устройства, измерительная информация с которого используется для введения поправки в результаты измерения длины меры.
Рис. 1. Схема компаратора (тип 2) с неподвижной мерой:
1 - неподвижная измеряемая мера; 2 - подвижный микроскоп; 3 - отражатель ИПЛ; 4 -ИПЛ; 5 - неподвижное основание; 6 - угольный блок; 7 - направляющие
Для корректировки результатов измерений длины за счёт рефракции воздуха на трассе измерений используется специальный рефрактометр для абсолютного измерения показателя преломления воздуха и введения поправок в вычислительный блок. Общий вид компаратора представлен на рис. 2.
При разработке технического проекта компаратора исходили из следующего:
- Стабильность конструкции при рациональной технологичности изготовления;
- Максимальный учёт возможных составляющих погрешностей измерений и возможность их регистрации или компенсации;
- Автоматизацию измерений и обработки результатов измерений.
Для размещения компаратора используется специальное одноэтажное помещение (галерея), расположенное между двумя 5-этажными корпусами, удалённое от транспортных магистралей. Установлены требования к эксплуатации интерференционного эталонного компаратора:
- Температура эксплуатации (20±5)0С с допустимым изменением в рабочем пространстве в процессе измерения не более 0,50С при скорости измерения 0,10 С за 30 с;
- Относительная влажность воздуха не должна превышать 80%;
- Скорость движения воздуха в рабочем пространстве не более 0,1 м/с;
- Частота возмущающих вибраций не более 10 Гц при амплитуде не более 0,0002 мм в горизонтальной плоскости и 0.0005 мм - в вертикальной;
- Проверка изоляции электропроводящих цепей на пробой напряжением 1100 В сопротивление клемм 0,1 Ом;
- Заземление электроприборов согласно требованиям безопасности.
Вся конструкция компаратора размещается на бетонной подушке глубиной не менее 1,5 м на стойках 2 (допускается изготовление бетонных столбов).
Для технологичности и приемлемой стоимости изготовления направляющие секции 5, 9 крепятся с помощью специальных регулируемых
стоек 63 и соединяются с помощью внутренних гаек и болтов 22, 34. Диаметры и прямолинейность направляющих имеют жесткие допуски для обеспечения плавности и прямолинейности перемещения каретки 3, на которой монтируется микроскоп для регистрации положения штрихов меры 26. Натяжение мер типа инварной проволоки или ленты осуществляется с помощью груза 11 через блок 4. Каретка 3 с помощью механизма точной установки 1 позволяет установить фоторегистрирующее устройство микроскопа на штрих меры. Величина перемещения каретки регистрируется с помощью уголкового отражателя 20 и ИПЛ (на рис. 2 не показан). В каретке 3 предусматриваются посадочные места для возможности крепления отражателя светодальномера или тахеометра для их калибровки при определении циклической поправки. В [3] рассматриваются вопросы модернизации компаратора для метрологического обеспечения поверки лазерных сканеров.
26
50 25
59 44 23
\ 28
Рис. 2. Общий вид интерференционного компаратора СГГА
1. Методы и приборы высокоточных геодезических измерений в строительстве [Текст] / Под ред. В.Д. Большакова. - М.: Недра, 1976. - 335 с.
2. Круп Н.Я., Оптико-механические измерительные приборы. - М. - Л.: Машгиз, 1962. - 276 с.
3. Середович В.А., Методы метрологического обеспечения лазерных сканеров [Текст] / В.А. Середович, Л.Г. Куликова, В.Д. Лизунов // Сб. материалов конф. «ГЕО-Сибирь».- Новосибирск, СГГА (в печати).
© Л.Г. Куликова, В.Д. Лизунов, В.А. Середович, В.Т. Новоевский, А.В.Куликов, 2005
