СПОСОБ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ИЗОБРАЖЕНИЯ МАРКИ В ЦИФРОВЫХ АВТОКОЛЛИМАТОРАХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR MARK IMAGE DISPLACEMENT MEASUREMENT IN DIGITAL AUTO COLLIMATORS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к способам и средствам автоколлимационного измерения и контроля небольших углов с высокой чувствительностью и точностью в машиностроении, геодезии, при поверке высокоточных приборов и в других областях науки и техники.
Известны способы измерения линейных перемещений изображений марки автоколлиматоров, основанные на получении изображения марки осветителя объективом в плоскости чувствительной площадки многоэлементного приемника излучения, например ПЗС (прибор с зарядовой связью), в виде линейки или матрицы и определении перемещений этого изображения путем вычисления координаты его энергетического центра тяжести [Шур В.Л., Лукин А.Я., Шестопалов Ю.А., Попов О.И. Двухкоординатный цифровой автоколлиматор. Измерительная техника. №9, 2005. - с. 45…48].
Основным недостатком этого способа является невысокая чувствительность, особенно при больших расстояниях до объекта, вследствие чего ухудшается и точность измерений.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ измерений линейных перемещений марки автоколлиматора, основанный на определении энергетического центра тяжести в сопряжении изображения марки в виде линейчатого растра с аналогичным ему линейчатым растром с удвоенным по ширине центральным темным штрихом [А.С. СССР №485399, G02B 27/30, G02B 27/32 / Фотоэлектрический автоколлиматор. Солдатов В.П. Б.И. №35, 1975].
Основным недостатком этого способа является небольшой диапазон измерений из-за технических сложностей, связанных с определением перемещений изображений, превышающих ширину штрихов растра.
Известны цифровые автоколлиматоры, содержащие узел осветителя с маркой, например в виде штриха, светоделительный блок, объектив и установленный в его фокальной плоскости многоэлементный приемник излучения, например ПЗС, с блоками его функционирования, обработки сигнала и определения углового положения контролируемого элемента по измеренному перемещению изображения марки и эквивалентному фокусному расстоянию объектива [А.С. СССР №485399, G02B 27/30, G02B 27/32 / Фотоэлектрический автоколлиматор. Солдатов В.П. Б.И. №35, 1975; Солдатов В.П. Сравнение двух способов локации цели в приборах с многоэлементными приемниками излучения. Измерительная техника. №12, 2005. - с.31…33].
Недостатком этих автоколлиматоров является невысокая чувствительность.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является фотоэлектрический автоколлиматор с увеличенной чувствительностью, описанный в [Каталог фирмы «Edmund Optics», 2006. - c. 285]. Он содержит последовательно установленные вдоль оптической оси источник излучения с конденсором, марку в виде линейчатого растра с одинаковыми по ширине светлыми и темными штрихами, первый компенсатор в виде поступательно перемещаемой поперек оптической оси телескопической линзы, светоделительную полупрозрачную пластинку, объектив, контрольный элемент, например зеркало, второй компенсатор, аналогичный первому, с возможностью его перемещения поперек оптической оси объектива, второй линейчатый растр, аналогичный первому, но имеющий центральный темный штрих удвоенной ширины, установленный в фокальной плоскости объектива, светоделительный блок, например прямоугольную призму с острым ребром, установленную за линейчатым растром рядом с ним, два приемника излучения, установленные на пути раздвоенных призмой потоков излучения и подключенные к блоку сравнения сигналов с них. [Каталог фирмы «Edmund Optics», 2006. - c. 285].
Основными недостатками этого автоколлиматора являются небольшой диапазон измерений и сложность его конструкции.
Целью изобретения является повышение точности за счет увеличения диапазона измерений и упрощение его конструктивной реализации.
Поставленная цель в способе достигается следующим образом.
i
цm
i
i
Выбирают ширину боковых штрихов марки осветителя автоколлиматора в виде линейчатого растра равной ширине элементов многоэлементной линейки с произвольной выборкой сигналов с элементов, установленной в фокальной плоскости объектива, а ширину центрального темного штриха растра выбирают равной удвоенной ширине его остальных штрихов, совмещают линии симметрии изображения центрального штриха растра с линией симметрии линейки, измеряют сигналы U с выхода засвеченных элементов, запоминают их, фиксируют среди них элемент с номером i=n, на выходе которого сигнал отсутствует (не превышает заранее установленного порогового уровня), вычисляют приближенное перемещение марки, равное nb, где b - период элементов, запоминают его, присваивают новые номера элементам приемника путем вычитания числа n из их первоначальных номеров, вычисляют смещение энергетического центра тяжести Х изображения линейчатого растра относительно середины полностью экранируемого элемента исходя из изменений ΔU измеренных сигналов U с выхода только четных элементов линейки, их новых номеров i и числа m засвеченных элементов по формуле
i
i
0
i
0
0
где ΔU=U-0,5U - изменение сигналов U на выходе i-тых элементов относительно уровня, равного 0,5U, U - сигнал, возникающий при отсутствии экранирования элементов, а величину перемещения X изображения марки определяют по формуле
цm
Х=nb+Х/(m+2).
Поставленная цель в устройстве достигается за счет того, что к блоку функционирования многоэлементного приемника излучения, например в виде линейки, и к микропроцессору цифрового блока обработки сигналов с элементов приемника подключен блок управления и синхронизации, обеспечивающий последовательность выполнения отдельных операций, необходимых для определения грубого и точного значений перемещения изображения марки осветителя и их суммирования, а линейчатый растр марки выполнен с шириной его боковых прозрачных и непрозрачных штрихов, равной ширине элементов приемника, причем центральный непрозрачный штрих выполнен с удвоенной шириной относительно ширины элементов.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена блок-схема автоколлимационного устройства, на фиг. 2 и 3 изображены сопряжения изображения растра, условно сдвинутые по вертикали, и плоскости линейки, поясняющие принцип действия предлагаемого способа соответственно при X=0 и при X>0.
Устройство, реализующее способ, содержит (фиг. 1) последовательно установленные вдоль оптической оси источник излучения - 1 с конденсором - 2, марку в виде линейчатого растра - 3 с одинаковыми по ширине боковыми светлыми и темными штрихами, центральный темный штрих которого имеет удвоенную ширину, светоделительную полупрозрачную пластинку - 4, объектив - 5, контрольный элемент, например зеркало 6, многоэлементный приемник излучения - 7, например в виде линейки, установленный в фокальной плоскости объектива - 5, с блоком его функционирования - 8, блок - 9 аналоговой обработки сигнала с аналого-цифровым преобразователем, подключенный к приемнику излучения - 7, блок - 10 цифровой обработки сигнала, подключенный к блоку - 9, содержащий микропроцессор - 11 и блок памяти - 12, подключенный к микропроцессору - 11, а также блок синхронизации и управления - 13, выходы которого подключены к блокам - 8 и - 11.
0
i
0
0
0
0
0
В первоначальном положении темные штрихи в изображении линейчатого растра перекрывают наполовину элементы линейки, расположенные симметрично относительно линии симметрии нулевого элемента (фиг. 2), который полностью экранирован. При этом в случае равномерной освещенности Е в изображении растра потоки, облучающие эти элементы, равны Ф=0,5Ф=0,5EA, где Ф - полный поток, облучающий элемент при отсутствии его экранирования, А - площадь элементов.
цm
Энергетический центр тяжести Х изображения любого объекта, полученного в плоскости многоэлементного приемника излучения, характеризующий его смещение относительно его первоначального положения, определяется по формуле (1)
i
i
i
где U=ФS - сигналы на выходе элементов приемника;
i - порядковый номер облучаемого элемента;
m - число облучаемых элементов, сигналы с которых превышают в заданное число пороговый уровень;
i
S - чувствительность элементов.
0
цm
Поскольку при нулевом значении перемещения X изображения марки в виде линейчатого растра сигналы с каждого из облучаемых элементов равны половине максимального сигнала U, который имеет место при отсутствии экранирования их темными штрихами, а номера i элементов, расположенных по разные стороны относительно линии симметрии линейки, имеют разные знаки, из формулы (1) следует, что Х=0 (фиг. 1).
0
При смещении X≤±0,5b изображения растра относительно элементов линейки, вызванном, например, поворотом контрольного элемента автоколлиматора, четные элементы, расположенные в правой части линейки, еще более открываются, а четные элементы левой части приемника закрываются на ту же самую величину X. В результате потоки излучения, облучающие каждый правый элемент приемника, увеличиваются на некоторое значение ΔФ, пропорциональное X, а потоки, попадающие на левые элементы, уменьшаются на ту же самую величину ΔФ (фиг. 3). В этом случае при равномерной освещенности Е изображения светлых штрихов растра и одинаковой чувствительности S элементов приемника излучения формула (1) при учете сигналов на выходе только его четных элементов относительно центрального элемента принимает следующий вид:
i
0
0
цm
где ΔU=ΔU независимо от номера элемента. Отсюда, поскольку при равномерной освещенности элементов ΔФ/Ф=ΔU/U=2X/b (3), следует, что Х=(m+2)Х.
цm
Таким образом, масштаб преобразования предлагаемого способа в (m+2) раза выше, чем масштаб преобразования известных способов, использующих алгоритм центроиды. В соответствии с этим реальное перемещение изображения марки автоколлиматора в пределах Х≤±0,5b при ее равномерной освещенности определяется по полученному значению Х по следующей формуле:
цm
Х=Х/(m+2).
цm
цm
При смещении изображения линейчатого растра на величину X вправо, большую, чем X=0,5b, изображение двойного темного штриха начинает полностью перекрывать элемент линейки с номером i=1, а центральный элемент с номером i=0 начинает облучаться потоком излучения, который изменяется по мере увеличения X от 0,5b до 1,5b так же, как в диапазоне - 0,5b≤Х≤0,5b. Причем в диапазоне смещений 0,5b≤X≤1,5b центральным элементом, относительно середины которого производится определение Х, становится элемент с номером i=1. Если присвоить этому элементу новый номер i=0, то ясно, что величину Х можно вычислить по формуле (2) с учетом смещения изображения растра, равного b. В этом случае
цm
Х=b+Х/(m+2).
Аналогичным образом можно показать, что величина X при смещении изображения растра, составляющем сумму произвольного числа полных периодов линейки, равную nb, и дополнительного перемещения Δb, составляющего долю ее периода Δb, может быть представлена в виде
X=nb±Δb,
цm
где Δb=Х/(m+2).
i
цm
i
Устройство работает следующим образом. По команде с блока - 13 включается блок - 8, с помощью которого появившиеся сигналы U на выходе элементов многоэлементного приемника излучения - 7 считываются, а в блоке - 9 они усиливаются, квантуются по уровню и попадают в микропроцессор - 11, а через него в блок - 12, где запоминаются. Далее по команде с блока - 13 микропроцессор определяет тот элемент среди засвеченных с номером n, на выходе которого сигнал отсутствует (минимален), вычисляет грубое значение перемещения, равное nb, которое запоминается в блоке - 12. Соседним с этим элементом микропроцессор присваивает соответствующие новые номера путем вычитания числа n из их первоначальных номеров, которые запоминаются блоком - 12. После этого по команде с блока синхронизации и управления - 13 микропроцессор - 11 производит расчет смещения энергетического центра тяжести Х изображения линейчатого растра в плоскости приемника относительно середины полностью экранируемого (нулевого) элемента по значениям сигналов U с засвеченных только четных элементов. Результирующее смещение X изображения линейчатого растра в плоскости приемника определяется путем суммирования значения nb и вычисленного точного значения Δb, составляющего долю ширины элемента. По суммарному значению X и фокусному расстоянию объектива микропроцессором определяется измеряемый угол.
По сравнению с прототипом в предложенном способе значительно увеличивается диапазон измерений при более простой его конструктивной реализации. Это объясняется тем, что при этом не требуется использовать два сложных привода с оптическими компенсаторами, требующими тщательной взаимной юстировки для устранения неидентичности их коэффициентов преобразования.
цm
Главным достоинством предлагаемого способа по сравнению с аналогами является то, что в предложенном способе измерений значительно увеличивается масштаб преобразования перемещения X изображения линейчатого растра в изменение положения его энергетического центра тяжести Х, равный К=m+2, а следовательно, и чувствительность измерений. В известных способах измерений перемещений К=1. Кроме того, приращения сигналов с элементов приемника в предложенном способе суммируются, образуя результирующий сигнал, во много раз превосходящий результирующий сигнал аналогов, у которых он равен сумме двух сигналов с крайних элементов приемника в случае равномерной освещенности изображения марки. Вследствие этого увеличивается отношение сигнал/шум, от которого зависит и погрешность измерений. Особенно заметны падения этого отношения у аналогов при больших дальностях действия и наличии помех и фона.
Устройство, реализующее предлагаемый способ, может быть выполнено на основе стандартных блоков и узлов. В качестве приемника излучения может использоваться качественная линейка на основе ПЗС или КМОП со стандартными блоками управления ее работой и микропроцессором, обеспечивающими произвольную выборку сигналов с элементов и вычисление перемещений изображений марки в соответствии с предложенным алгоритмом. Что касается марки в виде линейчатого растра, то такие высокоточные растры изготавливаются некоторыми фирмами для метрологических целей, например фирмой «Edmund Optics».