Автоколлимационные системы с оптической равносигнальной зоной для контроля поперечныхсмещений объектов

2

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

И СИСТЕМЫ

АВТОКОЛЛИМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ С ОПТИЧЕСКОЙ РАВНОСИГНАЛЬНОЙ ЗОНОЙ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПОПЕРЕЧНЫХСМЕЩЕНИЙ ОБЪЕКТОВ

Э.Д. Панков, А.В. Прокофьев, А.Н. Тимофеев, Чжан Хань

В работе рассматриваются схемы построения автоколлимационных оптико-электронных систем с оптической равносигнальной зоной. Приводятся рекомендации по выбору элементов оптической системы. Приводятся графики зависимости габаритов объективов прожектора и приемной части от требуемой точности измерения линейных смещений контрольного элемента.

Применение оптико-электронных систем (ОЭС) с оптической равносигнальной зоной (ОРСЗ) [1] позволяет повысить точность и максимально автоматизировать процесс измерения поперечных смещений контролируемых объектов.

Системы на основе автоколлимационной схемы удобны в эксплуатации и надежны, так как контрольный элемент (КЭ) таких систем представляет собой пассивный оптический отражатель. Реализация принципа ОРСЗ позволяет достичь высокой чувствительности системы к поперечным смещениям КЭ при большом диапазоне измерений. Реализация в таких устройствах нулевого метода обеспечивает нечувствительность к изменению питающего напряжения и коэффициента пропускания воздушного тракта (ВТ), кроме этого, устраняются погрешности, связанные со старением приемника оптического излучения и изменением характеристик, обусловленных изменением температуры и других внешних условий. Модуляция излучения, обеспечивающая создание ОРСЗ, позволяет получить высокую помехоустойчивость измерительных систем к воздействию засветок. С учетом указанных преимуществ автоколлимационные оптико-электронные системы (АОЭС) с ОРСЗ являются перспективным видом устройств для контроля смещений.

Обобщенную схему АОЭС можно представить в виде базового блока, содержащего задатчик базового направления (ЗБН) (рис. 1) и приемную часть (ПЧ), в совокупности реализующих приборную систему координат. Блок обработки и выработки команд управления (БОВКУ) и базовый блок имеют энергетическое обеспечение, в то время как КЭ, размещаемый на контролируемом объекте, такого обеспечения не требует. Все перечисленные элементы находятся в физической среде. Поскольку носителем измерительной информации является электромагнитное излучение оптического диапазона, которое распространяется в воздушном тракте, в структуру физической среды необходимо включать ВТ и учесть эксплуатационные воздействия (ЭВ) на элементы ОЭС, обусловленные изменениями температуры, вибрацией, внешними засветками и т.д. При рассмотрении обобщенной схемы необходимо учитывать помехи, которые оказывают влияние в форме электрических, механических, а также световых воздействий на элементы АОЭС с ОРСЗ.

ЗБН формирует в физической среде необходимое пространственное распределение оптического излучения с информативными параметрами, что в конечном итоге и реализует ОРСЗ. В рассматриваемых устройствах ЗБН содержит:

• излучатель 1, включающий источник оптического излучения (ИОИ) 7 и конденсор 8;

• базовый узел 2, который содержит формирователь ОРСЗ 9, создающий в пространстве несколько полей излучения с различающимися информативными параметрами, и объектив 10;

• оптический компенсатор 3, который необходим в устройствах, реализующих нулевую схему измерения.

Отраженное КЭ оптическое излучение попадает в ПЧ, в которой осуществляется преобразование измерительной информации, содержащейся в оптическом пучке с ОРСЗ, в электрические сигналы, т.е. происходит предварительная обработка информации о пространственном положении ПЧ относительно ОРСЗ. В процессе преобразования ПЧ осуществляет концентрацию потока излучения на фоточувствительном элементе приемника оптического излучения (ПОИ), преобразование оптического сигнала в электрический, а также пространственную селекцию сигнала от помех. Особенность ПЧ в данном случае состоит в том, что регистрация ее положения осуществляется в результате анализа пространственного распределения основного информативного параметра оптического излучения. В состав ПЧ входят следующие составные части:

• оптическая система 4, состоящая из оптического фильтра 11 и объектива 12, которая реализует функции преобразования оптического сигнала, в ряде случаев с использованием анализатора изображения;

• ПОИ 5;

• электронная схема предварительной обработки электрического сигнала (СПО) 6, содержащая предусилитель 13 и электронный фильтр 14.

-ФИЗИЧЕСКАЯ СРЕДА —

ПОМЕХИ

ЗБП и ПЧ

9 >10

11

12.

13

14

БОВКУ

15

16

17

ВТ

3

1

7

8

5

6

4

Рис. 1. Обобщенная схема ОЭС с ОРСЗ

БОВКУ обеспечивает ЗБН и ПЧ требуемыми питающими напряжениями, обрабатывает электрические сигналы, полученные от ПЧ, и выдает информацию о величине смещений ПЧ относительно ОРСЗ. Используя эту информацию, оптический компенсатор сдвига рабочего пучка лучей отклоняет принимаемое излучение на величину сдвига, при этом сигнал, снимаемый с датчика смещения компенсатора, выдает величину сдвига рабочего пучка лучей.

В структуре БОВКУ можно выделить узел питания ИИ 15 и схему окончательной обработки (СОО) измерительной информации, содержащую, как правило, блок окончательной обработки электрического сигнала 16 и узел индикации измерительной информации 17.

Процедура выбора элементов схемы АОЭС с ОРСЗ состоит из следующих этапов:

• выбор способа образования ОРСЗ;

• выбор ИОИ;

• выбор типа оптической системы;

• выбор КЭ;

• выбор ФПЧ.

При образовании ОРСЗ наибольшее распространение нашла амплитудно-фазовая модуляция излучения [2]. Это объясняется тем, что системы с амплитудной модуляцией проще в конструктивном исполнении. Создание прямолинейной, высокостабильной в пространстве и времени измерительной базы осуществляется путем проецирования объективом ЗБН на максимальную дистанцию контроля четырех соприкасающихся прямоугольных полей оптического излучения, имеющих различные информативные параметры [1].

В АОЭС с ОРСЗ наиболее широкое применение в качестве ИОИ находят полупроводниковые излучающие диоды (ПИД), в том числе арсенид - галлиевые [3, 4]. Их преимуществами являются большая мощность излучения (свыше 40 мВт [5]), простота осуществления модуляции, высокое быстродействие, большая эффективность преобразования электрической энергии в оптическую, надежность и значительный срок службы.

Схемы построения оптических систем ЗБН можно разделить на две группы -схемы с физическим и геометрическим светоделением.

Схемы с физическим светоделением могут быть либо однообъективными со светоделением в сходящихся пучках, либо двухобъективными со светоделением в параллельных пучках. Принципиальным недостатком устройств с физическим светоделением является четырехкратное ослабление излучения при двукратном прохождении его через светоделитель.

Схемы с геометрическим светоделением могут быть основаны либо на явлении расходимости излучения, когда в приемном канале используется периферийная зона пучка, либо иметь приемный канал, смещенный параллельно передающему. Такие схемы энергетически более выгодны, особенно в случае смещенного приемного канала. Однако такая схема имеет большие габариты. Наиболее целесообразным является выбор схемы, использующей в приемном канале периферийную зону пучка [6].

Отличительной особенностью ОЭС автоколлимационного типа является выполнение КЭ в виде световозвращателя. Конкретные схемные решения КЭ могут быть весьма разнообразными [6, 7]. Световозвращатель может быть выполнен либо по схеме с параллельным внутренним ходом лучей (трипельпризма, уголковый отражатель), либо по схеме, содержащей "силовые" оптические элементы (зеркально-линзовый и зеркально-зеркальный отражатели). Для них существует точка, при повороте вокруг которой не происходит смещения отраженного пучка относительно падающего, в то время как при линейном смещении отраженный пучок смещается на двойную величину. Как правило, на практике используются трипельпризма, которая характеризуется высокой стабильностью во времени геометрических характеристик, и зеркально-линзовый отражатель (ЗЛО), отличающийся технологичностью изготовления

[6, 7].

Детальное рассмотрение хода лучей в трипельпризме показывает, что в привершинной области виньетирование практически уничтожает центральную часть пучка [7, 8].

ЗЛО [6, 8] представляет собой объектив, за которым перпендикулярно к его оптической оси располагается плоское зеркало, размещаемое, в частном случае, в задней фокальной плоскостью объектива. После поворота ЗЛО на угол а вокруг горизонтальной оси, что равносильно повороту координатной системы вместе с зеркалом на тот же угол, получим [7]:

Го > Г 0л Г-1 0 01

1 ; Ьа= Р ' = 1 и М = а 0 1 0

V- У V 0 У V 0 0 1,

где Р - фокусное расстояние объектива; И и Ьа - одностолбцовые матрицы координат радиус-векторов точек предмета и точки зеркала после поворота ЗЛО, соответственно; Ма - матрица отражения в зеркале после поворота. В соответствии с формулой отражения для зеркала будем иметь Иа = Ма + [Е - Ма]Ьа.

Подставляя значения Иа, Ьа и Ма, находим, что И'а = Ка. До поворота имеем, соответственно:

И = Ь = Р'

М = Ма.

1

V0/

На основании формулы (1), примененной к новым значениям И, Ь и М, получим также, что И' = И. Следовательно, при поворотах ЗЛО направления отраженных им пучков лучей не изменяются, т.е. его можно применять для измерения линейных смещений автоколлимационным методом.

Как уже отмечалось, в привершинной области виньетирование практически уничтожает центральную часть пучка. Однако использование в приемном канале периферийной зоны пучка, отраженного КЭ, в некоторой степени снизит нежелательное влияние этого свойства ЗЛО на чувствительность системы. Следует отметить, что этот недостаток заметно проявляется только на больших дистанциях до КЭ.

В качестве ПОИ используются кремниевые фотодиоды ввиду их хорошего спектрального согласования с арсенид-галлиевым инфракрасным светодиодом при приемлемых шумовых параметрах.

Для реализации в устройствах с ОРСЗ нулевого метода в оптической схеме приходится применять оптические компенсаторы смещения рабочего пучка лучей, которые являются одними из основных элементов измерительной цепи [1].

Вследствие простоты оптической схемы, малого количества оптических элементов, а также нечувствительности к поперечным смещениям относительно оптической оси в качестве компенсатора смещения рабочего пучка лучей применяют поворотную плоскопараллельную пластину [1]. Целесообразнее использовать двухкоординатный компенсатор с одной плоскопараллельной пластиной в отличие от двух плоскопараллельных пластин, так как в первом случае компенсатор более компактен, вдобавок уменьшаются потери потока излучения, связанные с отражением на границе воздух- стекло.

Оптическую схему автоколлиматора с ОРСЗ можно представить в виде прожектора, в котором с помощью излучателей 1 (рис. 2), конденсоров 2, отражательных призм 3 и 4 на светоделительной призме 5 создается ОРСЗ. Созданная ОРСЗ с помощью отражательных призм 6 и 7 и объектива 8 проецируется через компенсатор смещения рабочего пучка лучей в виде поворотной плоскопараллельной пластины 9 во входной зрачок ЗЛО, состоящего из объектива 10 и отражательного зеркала 11. Объектив ПЧ 12 собирает на фотоприемнике 13 оптическое излучение, пришедшее от КЭ.

Рис. 2. Оптическая схема автоколлиматора с ОРСЗ

Сигнал, снимаемый с фотоприемника 13, поступает в БОВКУ, где усиливается и подвергается обработке. Сигналы управления с БОВКУ поступают на управляемый поворотным устройством компенсатор 9, который отклоняет рабочие пучки лучей, уменьшая тем самым сигнал рассогласования на выходе амплитудно-фазового детектора БОВКУ. Величина смещения рабочих пучков лучей снимается с датчиков перемещения, связанных с поворотным устройством оптического компенсатора, и поступает на индикаторное устройство.

Габаритные размеры оптической система АОЭС с ОРСЗ в основном определяются диаметрами выходного зрачка оптической системы прожектора П1 и входного зрачка приемной части В2 .

Определение размеров зрачков является достаточно сложной задачей, особенно при наличия фонов и световых помех. Основываясь на энергетических уравнениях, можно получить [8] :

С1 = А[Аф.2 - А2) - 0].

пР К7 а

где С1 = аЩррФлкдфМ; 0 = (1/^рФл(г - *>); = т е 0Ш

4ёии 72вт2и

Здесь р -

коэффициент отношения сигнал/шум; й?ии - диаметр излучающей площадки ИОИ; Ре -мощностью излучения ИОИ; и - половина угла излучения ИОИ по уровню 50% от максимальной мощности излучения; т - интегральный коэффициент пропускания оптического и воздушного трактов; к1 - коэффициент формы распределения аберраций объектива прожектора; 5ф8 - угловая величина суммарной аберрации прожектора, г0 -дистанция от выходного зрачка до плоскости фокусировки объектива прожектора; 2 -расстояние от выходного зрачка прожектора до зеркала ЗЛО; К - коррекционный

множитель; ош - среднее квадратическое значение шумовой погрешности измерении; ФП - пороговый световой поток ПОИ.

Отсутствие виньетирования пучков КЭ, учитывая угол расходимости пучков на выходе ЗБН, задается уравнением [8]:

ЗА2 + С2 А + А А = Сз,

где С2 = 4Ашах; С3 = 4гУии.8т(и); Атах - максимальное измеряемое смещение КЭ; £ -минимальное расстояние до КЭ; А - диаметр входного зрачка КЭ.

Каждое из уравнений (4), (5) представляет собой, при заданных параметрах С\, С2, С3, функциональную зависимость вида А = ХОД Совместное решение уравнений

Б 2 =

л/с, + Б ,4 + Б &

А

А = (Сз - ЗА2 - С2А) / А. позволяет находить диаметры зрачков объективов прожектора и ПЧ.

На рис. 3 приведены графики зависимости диаметра выходного зрачка объектива ЗБН и входного зрачка объектива ПЧ АОЭС с ОРСЗ от задаваемой погрешности измерений линейных смещений для рабочей дистанции 50 м при использовании светодиода типа АЛ119Б, фотодиода типа ФД 11К, и параметрах ош = 0,0134 мм; ¿о = 50000 мм; г = 500 мм; р = 20; т = 0,1; Атах = 4 мм; = 50''; К = 0,73; Ь = 1,6. а) б)

14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00

Бт, мм

О!, мм

0,00

0,05

0,10

270 240 210 180 150 120 90 60 30 0

Б2, мм

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08

О), мм

I

0,10

Рис. 3. Графики зависимостей диаметра выходного зрачка объектива прожектора (а) и входного зрачка объектива приемной части (б) АОЭС с ОРСЗ от задаваемой погрешности измерений линейных смещений при рабочей

дистанции 50 м

Из приведенных графиков следует, что при повышении точности измерений линейных смещений диаметр выходного зрачка объектива прожектора следует уменьшать, а входного зрачка приемной части - увеличивать. На практике диапазон выбора соответствующих размеров обычно ограничен габаритными требованиями.

Особый интерес представляет влияние параметров воздушного тракта и контрольных элементов на пространственно-временное распределение облученности во входном зрачке объектива приемной оптической системы, которые в конечном итоге определяют точность регистрации смещений. Эти вопросы являются предметом дальнейших исследований систем рассмотренного типа.

Литература

1. Джабиев А.Н., Мусяков В. Л., Панков Э.Д., Тимофеев А.Н. Оптико-электронные приборы и системы с оптической равносигнальной зоной. Монография / Под. общ. ред. Э.Д. Панкова СПб; ИТМО, 1998. 238 с.

2. Цукерман С.Т. Автоматизация управления рабочим органом машин при помощи оптического луча. // Изв. вузов СССР. Приборостроение. 1966. Т. IX. № 3. С. 28-32.

3. Цукерман С.Т., Великотный М.А. О возможности использования светодиодов в приборах управления лучом. // Изв. вузов СССР. Приборостроение. 1972. Т. XV. № 12. С. 48-50.

4. Цукерман С.Т., Великотный М.А. Экспериментальное исследование прибора управления лучом на светодиодах. // Изв. вузов СССР. Приборостроение. 1973. Т. XVI. № 2. С. 40-43.

5. Иванов В.И., и др. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы: Справочник М.: Энергоатомиздат, 1989. 280 с.: ил.

6. Афанасьев В.А., Жилкин А.М., Усов В.С. Автоколлимационные приборы. М.: Недра, 1989. 302 с.: ил.

7. Оптические системы геодезических приборов / Д.А. Аникст, О.М. Голубовский, Г.В. Петрова и др. М.: Недра, 1981. 345 с.: ил.

8. Панков Э.Д., Прокофьев А.В., Тимофеев А.Н. Автоколлимационная оптико -электронная система контроля положения элементов турбоагрегатов // "Лазеры. Измерения. Информация" 6-7 июня 2001 г. / Тезисы докладов. СПб: БГТУ, 2001. С. 48-49.