МОДЕРНИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИНДИКАТОРОВ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
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
Y
=
kT 4
n
=
An
,
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 11
66 О. А. Абакшина, Г. В. Егоров, С. М. Латыев, С. С. Митрофанов
где Т — период деления растров, k — 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).
1
34
6
8
U1 Цифровой дисплей
U2
2 79 5
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 индика-
тора 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 проис-
ходит смещение центра светового пятна, создаваемого
светодиодом 2, на светочувствительной площадке „муль-
3 2
тискана“ 3, с которого снимается аналоговый электрический сигнал U.
Искомое перемещение Y определяется как
Y L0 U0 U 1
Цифровой дисплей
Y
=
L0 U0
U
,
где L0 — длина светочувствительной площадки „мульти-
скана“, U0 — опорное напряжение, подаваемое на „муль-
тискан“, U — измеряемое напряжение.
Y
На основе предложенной схемы (см. рис. 2) был спроектирован и изготовлен макет индикатора. Для на-
Рис. 2
хождения его точностных характеристик методом сравнения с образцовыми концевыми мерами длины ( Liср )
класса точности 1 согласно ГОСТ 9083-73 определялось предельное значение погрешности
измерений. Результаты измерений приведены на рис. 3: видно, что изменение погрешности
составило величину ∆Y = 0,02 мм, а СКО σ = 0,007 мм. Была измерена также нелинейность
работы индикатора, график которой приведен на рис. 4.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 11
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 — позиционно-чувствительный приемник „мультискан“, 4 — оптическая деталь; 5 — сферическая опора.
∆Y, мм
∆U, В 1,8
0,015
1,6 1,4
0,01 1,2 1
0,005
0,8 0,6
0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Liср, мм
0,4 0,2
–0,005
Рис. 3
0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Liср, мм Рис. 4
D/2 Сферическая опора
4Y 5
3 2
Y L0 U0 U
Цифровой дисплей
Индикатор
1 Y
Рис. 5
Рис. 6
Радиус сферической поверхности вычисляется следующим образом:
R
=
D2 8y
+
y 2
±
r
=
D2 8nA
+
nA 2
±
r
,
где D — диаметр опорного кольца, r — радиус сферической опоры-шара (для вогнутой по-
верхности 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 кон-
троля 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. Функ-
циональная схема такого сферометра аналогична приведенной на рис. 5. Однако в этом
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 11
68 О. А. Абакшина, Г. В. Егоров, С. М. Латыев, С. С. Митрофанов
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 (∆D); погрешность измерения радиуса сферических опор (∆r); контактная деформация линзы и опор, обусловленная весом линзы (∆Рл); контактная деформация линзы и сферического наконечника штока под действием мерительного усилия (∆Рн); погрешность измерения стрелки прогиба (∆y); влияние отклонение температуры окружающей среды от номинального значения (∆T). Сферометру на основе ЛИР-15 присуща, кроме того, погрешность измерения радиуса, возникающая из-за смещения штока относительно центра опорного кольца (несоосность — ∆е).
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.
∆D, мкм..................................................... 0,9 ∆r, мкм ...................................................... 0,2 ∆y, мкм...................................................... 0,22 ∆Рл, мкм.................................................... 1,44⋅10–4 ∆Рн, мкм.................................................... 1,44⋅10–4 ∆T, мкм ..................................................... 5,69⋅10–2 ∆е, мкм...................................................... 1,34⋅10–4 ∆YΣ, 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: Rвып = 80,17 мм, СКО которой σ = 0,0013 мм, и образцовой вогнутой линзы: Rвог = 131,83 мм, для которой σ = 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]: .
3. Датчики перемещения СКБ ИС — ЛИР-14 (Инкрементный преобразователь линейных перемещений) [Электронный ресурс]: .
4. Латыев С. М. Конструирование точных (оптических) приборов: Учеб. пособие. СПб: Политехника, 2007. С. 295—300, 312—316.
Ольга Алексеевна Абакшина
Сведения об авторах — аспирант; Санкт-Петербургский государственный университет ин-
формационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютеризации и проектирования оптических приборов
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 11
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.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 11
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
Y
=
kT 4
n
=
An
,
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 11
66 О. А. Абакшина, Г. В. Егоров, С. М. Латыев, С. С. Митрофанов
где Т — период деления растров, k — 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).
1
34
6
8
U1 Цифровой дисплей
U2
2 79 5
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 индика-
тора 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 проис-
ходит смещение центра светового пятна, создаваемого
светодиодом 2, на светочувствительной площадке „муль-
3 2
тискана“ 3, с которого снимается аналоговый электрический сигнал U.
Искомое перемещение Y определяется как
Y L0 U0 U 1
Цифровой дисплей
Y
=
L0 U0
U
,
где L0 — длина светочувствительной площадки „мульти-
скана“, U0 — опорное напряжение, подаваемое на „муль-
тискан“, U — измеряемое напряжение.
Y
На основе предложенной схемы (см. рис. 2) был спроектирован и изготовлен макет индикатора. Для на-
Рис. 2
хождения его точностных характеристик методом сравнения с образцовыми концевыми мерами длины ( Liср )
класса точности 1 согласно ГОСТ 9083-73 определялось предельное значение погрешности
измерений. Результаты измерений приведены на рис. 3: видно, что изменение погрешности
составило величину ∆Y = 0,02 мм, а СКО σ = 0,007 мм. Была измерена также нелинейность
работы индикатора, график которой приведен на рис. 4.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 11
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 — позиционно-чувствительный приемник „мультискан“, 4 — оптическая деталь; 5 — сферическая опора.
∆Y, мм
∆U, В 1,8
0,015
1,6 1,4
0,01 1,2 1
0,005
0,8 0,6
0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Liср, мм
0,4 0,2
–0,005
Рис. 3
0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Liср, мм Рис. 4
D/2 Сферическая опора
4Y 5
3 2
Y L0 U0 U
Цифровой дисплей
Индикатор
1 Y
Рис. 5
Рис. 6
Радиус сферической поверхности вычисляется следующим образом:
R
=
D2 8y
+
y 2
±
r
=
D2 8nA
+
nA 2
±
r
,
где D — диаметр опорного кольца, r — радиус сферической опоры-шара (для вогнутой по-
верхности 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 кон-
троля 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. Функ-
циональная схема такого сферометра аналогична приведенной на рис. 5. Однако в этом
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 11
68 О. А. Абакшина, Г. В. Егоров, С. М. Латыев, С. С. Митрофанов
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 (∆D); погрешность измерения радиуса сферических опор (∆r); контактная деформация линзы и опор, обусловленная весом линзы (∆Рл); контактная деформация линзы и сферического наконечника штока под действием мерительного усилия (∆Рн); погрешность измерения стрелки прогиба (∆y); влияние отклонение температуры окружающей среды от номинального значения (∆T). Сферометру на основе ЛИР-15 присуща, кроме того, погрешность измерения радиуса, возникающая из-за смещения штока относительно центра опорного кольца (несоосность — ∆е).
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.
∆D, мкм..................................................... 0,9 ∆r, мкм ...................................................... 0,2 ∆y, мкм...................................................... 0,22 ∆Рл, мкм.................................................... 1,44⋅10–4 ∆Рн, мкм.................................................... 1,44⋅10–4 ∆T, мкм ..................................................... 5,69⋅10–2 ∆е, мкм...................................................... 1,34⋅10–4 ∆YΣ, 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: Rвып = 80,17 мм, СКО которой σ = 0,0013 мм, и образцовой вогнутой линзы: Rвог = 131,83 мм, для которой σ = 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]: .
3. Датчики перемещения СКБ ИС — ЛИР-14 (Инкрементный преобразователь линейных перемещений) [Электронный ресурс]: .
4. Латыев С. М. Конструирование точных (оптических) приборов: Учеб. пособие. СПб: Политехника, 2007. С. 295—300, 312—316.
Ольга Алексеевна Абакшина
Сведения об авторах — аспирант; Санкт-Петербургский государственный университет ин-
формационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютеризации и проектирования оптических приборов
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 11
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.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 11