Экспериментальное исследование погрешности авторефлексионных измерений вследствие виньетирования

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОГРЕШНОСТИ АВТОРЕФЛЕКСИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ВСЛЕДСТВИЕ

ВИНЬЕТИРОВАНИЯ A.M. Ворона

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор И.А. Коняхин

В статье приводятся результаты экспериментального исследования процессов виньетирования и возникающих в связи с ними погрешностей измерения в авторефлексионных схемах. Делается вывод о систематическом характере возникающих погрешностей и возможности компенсирования их на этапе компьютерной обработки кадра.

Введение

Автоколлимационные и авторефлексионные измерительные системы широко используются для контроля угловых и линейных смещений в производственной и научной деятельности [1]. Преимуществом таких систем является пассивная схема измерения, в соответствии с которой на контролируемом объекте располагается стеклянный или призменный контрольный элемент. На рис 1 изображена структура измерительной схемы, на которой 1 - источник излучения, 2 - контрольный элемент, 3 - объектив, 4 -матричный фотоприемник. Контрольный элемент отражает пучок приемо-излучающе-го автоколлиматора, при этом ориентация этого пучка определяет измеряемую угловую или линейную координату контролируемого объекта.

4

2

измеряемое перемещение

Контролируемый объект

Автоколлиматор

1

Рис. 1. Структура измерительной схемы

Диапазон измерения автоколлимационных и авторефлексионных систем ограничивается характерной погрешностью вследствие виньетирования принимаемого пучка.

Рассматриваемая составляющая погрешности возникает из-за неодинакового виньетирования элементарных пучков лучей, формирующих изображение марки излучающего канала автоколлиматора в плоскости анализа приемного канала автоколлиматора и расположенных симметрично относительно оптической оси (рис. 2). Виньетирующими элементами являются расположенные последовательно по ходу пучка оправы оптических элементов: контрольного элемента, объектива излучающей системы и объектива приемной автоколлиматора. Виньетирование приводит к искажению формы регистрируемого изображения, что приводит к неверному определению его координат. При типичных значения размера изображения в плоскости анализа (единицы элементов анализатора) возникающее искажение формы практически не поддается детектированию и полностью не поддается исправлению.

до поворота после поворота

бпр

М2пр

Пучок от нижней точки марки

Оправа объектива

Пучок от верхней точки марки

Рис. 2. Сечения пучков от различных точек марки оправой приемного объектива

Однако теоретические расчеты и компьютерные модели [2] позволяют предположить, что рассматриваемая погрешность носит систематический характер и может быть устранена на этапе компьютерной обработки анализируемого кадра.

Результаты экспериментального исследования

Для проверки данных, полученных путем теоретических расчетов, а также для выработки практических рекомендаций был произведен эксперимент. Экспериментальная установка была построена в соответствии с авторефлексионным методом измерения (рис. 3). Структурная схема включает источник излучения (1), изображение (1') источника зеркалом (2), объектив (3), матричный фотоприемник (4) и блок компьютерной обработки кадра (5).

3 2

Рис. 3. Структурная схема авторефлексионной системы

Особенностью экспериментальной системы является использование специально разработанного адаптивного программного обеспечения. Используемое программное средство позволяет экспериментатору задавать параметры пороговой и медианной фильтрации, алгоритм первичного поиска изображения и параметры алгоритма взвешенного суммирования вплоть до написания дополнительных этапов обработки, не предусмотренных авторами.

Полученные в результате эксперимента изображения представлены на рис. 4.

Рис. 4. Вид изображения в плоскости анализа. Полное и виньетированное изображения светодиода

Экспериментальные исследования показали, что статическая характеристика исследуемой системы линейна в диапазоне измерения ±10 угл. мин. Оценка среднеквад-ратического значения случайной составляющей погрешности измерения не превосходит 0.35 угл. сек.

Систематическая погрешность измерения определяется виньетированием пучка, формирующего изображение светодиода, и при отсутствии компенсации составляет величину до 25 угл. сек. для крайних точек указанного диапазона измерения (рис. 5).

Заданный угол поворота объекта, угл.сек

Рис. 5. Значения ошибки измерения угла поворота объекта и ее квадратичная аппроксимация

Среднее значение ошибки измерения угла поворота объекта при учете влияния виньетирования составляет 1.34 угл. сек. Используя для компенсирования погрешности полученные теоретическим путем функции, можно дополнительно уменьшить значение ошибки измерения угла поворота объекта до уровня случайной составляющей погрешности.

Заключение

1. Вид зависимости внесенной виньетированием погрешности позволяет отнести ее к систематическим погрешностям.

2. Внесенная виньетированием погрешность может быть скомпенсирована на этапе компьютерной обработки кадра.

Литература

1. Афанасьев В.А., Жилкин A.M., Усов B.C. Автоколлимационные приборы. М.: Недра, 1982.

2. Хуснутдинов P.M. Влияние ограничения световых пучков на погрешность измерения следящего фотоэлектрического автоколлиматора. // ОМП. 1989. №7. С. 21.