Перспективные направления по увеличению точности преобразования угловых перемещений

Гармонический анализ погрешности преобразования показал, что монотонного убывания амплитуд гармоник с ростом номера гармоники в растровых преобразователях на хромированных решетках не наблюдается, что не позволяет повысить точность преобразования за счет исключения из спектра отдельных гармоник. Одним из путей повышения точности растровых преобразователей является использование в них дифракционных голографических решеток (ДГР) с периодом, соизмеримым с длиной волны когерентного источника излучения. При этом в плоскости ПИ анализируются интерференционные полосы. При линейной записи ДГР на выходе первичного преобразователя наблюдаются только гармоники нулевого и +1-го порядков, поэтому измерительные сигналы sin U_; и cos Uj (см. рис. 122) имеют синусоидальную форму

Известны три схемы построения первичных преобразователей с голографическими решетками, показанные на рис. 12

Рис12Схема первичного преобразователя с одной ДГР. 1-лазер; 2-линза;3- измерительнаядгр; 4-зеркала;5 –четыре ПИ.

В первой схеме свет от когерентного ИИ 1, коллимированный линзой 2, попадает на измерительную решетку 3. Лучи, дифрагировавшие в +1-й порядок дифракции и нулевого порядка, отражаются от зеркал 4 и, проходя повторно решетку 3, попадают на ПИ 5. Преимуществом данной схемы является использование одной решетки. Однако при этом необходимо использовать ИИ с большой длиной когерентности (вызвано дисперсией и неравенством хода лучей в плечах между решеткой и зеркалами). Кроме того, наличие двух зеркал определенным образом затрудняет процесс юстировки преобразователя, увеличивает габариты.

Во второй схеме (см. рис. 13) используют две ДГР. Индикаторная решетка 3 вместе с ИИ 1 образует опорное плечо интерферометра, ПИ 5 расположены в дальней зоне Фраун-гофера В плоскости ПИ, расположенных перпендикуляр- но биссектрисе угла между дифрагировавшими пучками, анализируются узкие интерференционные полосы.

Рис. 13 Схема первичного преобразователяи большим двугранным углом ф₂ между решетками:

1 - лазер; 2 - конденсор; 3 - индикаторная ДГР; 4 - измерительная ДГР;5 - четыре ПИ

Преимуществом схемы является более высокий, чем в предыдущей схеме, контраст интерференционных полос. Использование матричного ПИ для анализа узких интерференционных полос уменьшает шумы электронного тракта. Однако данная схема чувствительна к изменению угла между решетками, разность хода лучей до ПИ может меняться из-за отклонений температуры, что приводит к дополнительной погрешности измерения.

В настоящее время болыпее распространение получила принципиальная схема первичного преобразователя с двумя параллельными ДГР (см. рис. 14). В ней коллимированный линзой 2 световой поток от ИИ 1, отражаясь от зеркала 3, падает под углом Брэгга, равным — (9₀ - угол интерферометра при записи решеток), на индикаторную ДГР 4, затем на измерительную ДГР 5. В результате дифракции на решетках в направлении +1-го порядка дифракции происходит восстановление пучков света, подобных тем, что использовались при записи решеток. При этом в интерференционном поле дифрагировавших на ДГР волн образуется система равноотстоящих изофазных плоскостей (в произвольном сечении, например в плоскости ПИ 6, интерференционных полос). Принципиальная схема имеет два конструктивных решения, относящихся к перемещению измерительной решетки 5 относительно индикаторной решетки 4: индикаторная решетка 4 неподвижно связана с корпусом, в котором перемещается подвижная измерительная решетка 5, индикаторная решетка 4 базируется непосредственно по измерительной решетке 5 и перемещается по ней. Здесь угол между решетками может быть выбран близким к нулю, при этом в плоскости ПИ формируются бесконечно широкие интерференционные полосы. Реверсивный счет полос при их перемещении осуществляется за счет пространственного сдвига участков индикаторной решетки, сопряженных с соответствующими ПИ.

При использовании индикаторной решетки без пространственного сдвига участков изменением двугранного угла между решетками добиваются равенства полуширины интерференционной полосы размеру чувствительной площадки ПИ, расположенного рядом с измерительной решеткой. Две пары ПИ, включенных встречно, следят за изменением постоянной составляющей квадратурных сигналов, вызванным изменением дифракционной эффективности измерительной решетки в диапазоне измерения. В данной схеме может использоваться квазимонохроматический ИИ (полупроводниковый лазер). Преобразователь имеет наименьшие габариты по сравнению с описанными выше преобразователями с ДГР.

Крепление измерительного растра традиционно осуществляется планками. Однако некоторые фирмы крепят его с помощью эпоксидной смолы. Эти методы не выдерживают ухудшенных условий эксплуатации, поэтому в последние годы для крепления измерительного растра стали применять кремний-органические герметики, при этом процесс закрепления осуществляется на инструментальном микроскопе.Кроме совершенствования принципиальных схем преобразователей перемещений угол-код, наблюдается совершенствование конструкции осевых систем прибора, поддерживающих стабильное положение преобразователя в пространстве.

Заслуживает внимания вертикальная осевая система, изобретенная А. Юнтом, X. Лейтцем, Э. Лепнером и Г. Рометшом (рис. 15.В данной конструкции корпус 2 и цилиндрическая ось 3 изготовлены из одной заготовки, между ними находится сепаратор 4 из большого количества шариков 5, смещенных один относительно другого по винтовой линии и равномерно распределенных по всей поверхности сепаратора. Шарики в точках касания претерпевают упругую деформацию (зазор между осью и втулкой примерно на 3 мкм меньше, чем диаметр шарика. В осевом направлении цилиндрическая ось удерживается двумя упорными подшипниками 6.

Рис. 15. Осевая система электронного тахеометра:

1 - измерительный растр; 2 - втулка (корпус); 3 - цилиндрическая ось; 4 -сепаратор; 5 - шарик; 6 - упорный подшипник

По сравнению с другими осевыми системами показанная на рис. 15 конструкция нечувствительна к изменениям температуры, значительно дешевле (в ней используются стандартные шарики нулевого класса вместо шариков второго класса точности). Кроме того, данная осевая система практически не подвержена износу, нечувствительна к изменению вязкости смазки и динамическим воздействиям (ударам).

В МИИГАиКе разрабатывается устройство для аттестации угловых измерительных систем электронных тахеометров, в котором заложены принципы искусственных нейросетей, позволяющих системе самообучаться путем введения соответствующих весовых коэффициентов, полученных при аттестации прибора.

Вопросы для самопроверки:: 1 Что в ЦПУ определяет точность отсчета?

2..Виды ЦПУ

3. Структура погрешности преобразования тахеометров

4.Перспективы увеличения точности преобразования угловых перемещений