Оптическая система контроля расположения элементов высокоточного измерительного стенда

Введение. При эксплуатации высокоточных измерительных стендов необходимо обеспечить достоверность измерений. Изменение расположения элементов измерительного тракта, особенно в стендах, работающих в СВЧ-диапазоне, приводит к искажению полученных результатов измерений. Для достижения достоверности измерений необходимо контролировать расположение элементов измерительного стенда. Контроль должен проводиться в процессе измерения, устройство контроля должно подключаться к автоматической системе управления измерительным стендом. Устройство не должно воздействовать механически на элементы стенда и не привносить помех. В настоящее время используемые системы контроля по совокупности технических характеристик не соответствуют необходимым требованиям.

Цель работы. Разработка системы контроля перемещений элементов высокоточного измерительного стенда с точностью 1.0 · 10–4 мм, не оказывающей механического воздействия на контролируемые элементы и не вносящей электрических и электромагнитных помех с возможностью цифровой обработки сигнала.

Материалы и методы. В разработанной системе использованы оптические методы контроля перемещений, основанные на геометрической оптике. Методами математического моделирования (Mathcad) определены реакции системы на изменение траектории луча и оценена чувствительность оптической системы контроля. Для регистрации реакции системы на изменение положения оптического пути используются приборы с зарядовой связью.

Результаты. Разработаны 2 варианта системы контроля. В первом варианте система позволяет регистрировать изменения в расположении элементов стенда, во втором – идентифицировать элемент, изменивший геометрическое положение. Система способна регистрировать перемещения элементов стенда на 1.0 · 10–4 мм и контролировать расположения элементов стенда при вибрационном воздействии. Система не оказывает механического и электромагнитного воздействия на элементы стенда. Все элементы системы не чувствительны к воздействию СВЧ-излучения и повышенного радиационного фона, за исключением прибора с зарядовой связью, который должен располагаться вне зоны облучения. Система контроля перемещений элементов высокоточного измерительного стенда позволяет производить цифровую обработку сигнала. Предложен способ повышения точности системы.

Заключение. Система может использоваться в стендах с повышенным СВЧ-, рентгеновским и радиационным излучением. В сравнении с системами, основанными на других физических принципах (индуктивный, емкостной и реостатный) разработанная система значительно проще в реализации.

1. Безкоровайный В. С., Яковенко В. В., Ливцов Ю. В. Определение толщины упрочненного слоя металла магнитным методом // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2018. №. 6. С. 102–110. doi: 10.32603/1993-8985-2018-21-6-102-110

2. Bioelectronic applications of photochromic pigments / ed. by A. Dér, L. Keszthelyi. Amsterdam: IOS Press, 2001. 725 p. (NATO Science Series, I: Life and Behavioural Sciences. Vol. 335).

3. Du W. Resistive, Capacitive, Inductive, and Magnetic Sensor Technologies. Boca Raton: CRC Press, 2015. 408 p.

4. Hauptmann P., Hoppe N., Püttmer A. Application of ultrasonic sensors in the process industry. // Measurement Science and Technology. 2002. Vol 13, № 8. R73. doi: 10.1088/0957-0233/13/8/201

5. Liptak B. G., Venczel K. Instrument and automation engineers' handbook. Vol. I. Measurement and Safety. 5th ed. Boca Raton: CRC press, 2018. 226 p.

6. Пат. RU 2 482 448 C2. G01B11/00, G01B11/27 (2006.01). Оптическая измерительная система для определения взаимного расположения элементов в пространстве, способ и устройство регистрации оптического излучения для использования в ней / К. Н. Кифоренко, Ф. В. Семенов. Опубл. 20.05.2013. Бюл. № 14.

7. Bridge Displacement Monitoring Method Based on Laser Projection-Sensing Technology / X. Zhao, H. Liu, Y. Yu, X. Xu, W. Hu, M. Li, J. Ou // Sensors. 2015. Vol. 15, № 4. P. 8444–8463. doi: 10.3390/s150408444

8. Оптико-электронный преобразователь контроля смещений элементов крупногабаритных конструкций / В. А. Шубарев, А. Н. Михайлов, Ф. В. Молев, И. А. Коняхин, А. Н. Тимофеев, А. С. Васильев // Вопросы радиоэлектроники. 2014. Т. 1, № 2. С. 53–62.

9. Иванов А. Н., Киреенков В. Е., Носова М. Д. Дифракционные методы контроля пространственного положения объектов // Приборостроение. 2013. №11. С. 78–82.

10. Арчакова Е. В., Козлов Н. П. Дифракционный датчик волнового фронта // Изв. Самарского науч. центра РАН. 2010. Т. 12, № 4. С. 134–137.

11. Interferometry – Research and Applications in Science and Technology / ed. by I. Padron. Hamburg: Books on Demand, 2012. doi: 10.5772/2635.

12. Батомункуев Ю. Ц., Мещеряков Н. А. Датчики перемещений с двумерной дифракционной решеткой // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2013. Т. 5, вып. 3. С. 32–37.

13. Ready J. F. Industrial applications of lasers. London: Elsevier, 2012. 599 p.

14. Muralikrishnan B., Phillips S., Sawyer D. Laser trackers for large-scale dimensional metrology: A review. // Precision Engineering. 2016. Vol. 44. P. 13–28. doi: 10.1016 /j.precisioneng.2015.12.001

15. Пат. RU 2 609 746 C2. G06F 15/00, G06F 3/00, G01B 11/00 (2006.01). Устройство контроля возникновения перемещения частей конструкций сооружения / В. В. Холкин. Опубл. 02.02.2017. Бюл. № 4.

16. Пат. RU 2 046 381 C1. G02B 5/08 (1995/01). Охлаждаемое лазерное зеркало / В. С. Дементьева, П. П. Кузнецов, Л. Н. Поняева, В. М. Носкова. Опубл. 20.10.1995.