Оптико-электронное интерференционное устройство контроля малых угловых перемещений на основе приборов с зарядовой связью тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Емельянов, Алексей Анатольевич

• Емельянов, Алексей Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Емельянов, Алексей Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ КОНТРОЛЯ МАЛЫХ УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ НА ОСНОВЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ.

1.1 Классификация высокоточных устройств контроля угловых перемещений и анализ оптических методов и средств для проведения угловых измерений

1.2 Оптико-электронные устройства контроля малых угловых перемещений

1.3 Информативные признаки и способ анализа интерференционной картины

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫСОКОТОЧНОГО АНАЛИЗА ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ КАРТИН.

2.1 Математическая модель статической интерференции в оптико-электронном интерференционном устройстве

2.2 Распределение интенсивности в интерференционной картине

2.3 Регистрация интерференционных картин фоточувствительными приборами с зарядовой связью

2.4 Адаптация уровня квантования порогового устройства

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ МАЛЫХ УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ.

3.1 Анализ характеристик интерференционной картин и выбор приемника излучения

3.2 Выбор источника излучения

3.3 Структура микропроцессорного устройства контроля малых угловых перемещений

3.4 Выбор микропроцессорного элемента и расчет объема ОЗУ

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ МАЛЫХ УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ.

4.1 Описание экспериментальной установки и методика проведения эксперимента

4.2 Аппаратная реализация оптико-электронных интерференционных устройств контроля малых угловых перемещений на базе приборов с зарядовой связью

4.3 Программа обработки интерференционных картин и контроля малых угловых перемещений

4.4 Основные экспериментальные числовые характеристики интерференционной картины

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптико-электронное интерференционное устройство контроля малых угловых перемещений на основе приборов с зарядовой связью»

Актуальность темы. Предъявляемые требования к точности измерений в некоторых отраслях промышленности, таких как строительство, тяжелое машиностроение, геодезия и др., в настоящее время могут быть достигнуты только с применением интерференционных методов контроля. Однако устройства, позволяющие производить высокоточные измерения параметров интерференционной картины в автоматическом или, по крайней мере, в автоматизированном режиме с соответствующей точностью и в реальном масштабе времени, т. е. со скоростью вывода измерительной информации с приемника, в настоящее время практически отсутствуют.

Сложность автоматической расшифровки интерферограмм и выделения измерительной информации связана с тем, что интерференционная картина помимо полезной информации содержит искажения и шумы, вносимые дестабилизирующими факторами - посторонними источниками излучения, вибрациями, турбулентностью атмосферы, запыленностью и т. Д

Первый этап процесса интерферометрического контроля должен включать в себя регистрацию и предварительную обработку изображения, преобразование сигнала из аналоговой в дискретную форму, выделение информации о положении источника излучения.

Второй этап интерферометрического контроля состоит в обработке информации, содержащейся в интерференционной картине, и определении смещения источника излучения в метрических единицах измерения.

В настоящее время актуальным является создание устройств и анализа интерференционной картины при проведении измерений малых угловых и линейных перемещений. Для этого требуется решить целый ряд задач, направленных на повышение эффективности и быстродействия 8 вычислительного процесса анализа интерференционных изображений и выделения измерительной информации, а так же повышение точности измерений и снижение аппаратных затрат.

Основная часть диссертационной работы выполнялась в рамках госбюджетных научно-исследовательских работ, начиная с 1996 года, в том числе госбюджетных научно-исследовательских работ по распоряжению Госкомвуза по единому заказу-наряду, утвержденному 11.01.95 Государственным комитетом РФ по высшему образованию, и гранту по фундаментальным исследованиям в области автоматики и телемеханики, вычислительной техники, информатики, кибернетики, метрологии, связи, выделенному конкурсным центром при Санкт-Петербургском электротехническом университете им. В. И. Ленина (Ульянова).

Целью диссертационной работы является разработка высокоточного метода анализа интерференционных картин и создание оптико-электронного устройства контроля малых угловых перемещений на основе фоточувствительных приборов с зарядовой связью.

Поставленная цель определила следующие задачи исследований:

- обоснование необходимости разработки высокоточных оптико-электронных интерференционных устройств для контроля малых угловых перемещений на основе приборов с зарядовой связью;

- разработка метода анализа интерференционных картин на основе выбранных информативных признаков;

- разработка математической модели оптико-электронного интерференционного устройства контроля малых угловых перемещений на основе приборов с зарядовой связью;

- разработка инженерных методик расчета основных узлов и методики экспериментальных исследований оптико-электронных интерференционных устройств контроля малых угловых перемещений. 9

Методы исследования базируются на использовании основных положений оптики, теории измерений и обработки наблюдений, методах теории вероятностей и математической статистики.

Научная новизна работы.

Доказана перспективность построения оптико-электронных интерференционных устройств контроля малых угловых перемещений на основе информативных признаков интерференционной картины и приборов с зарядовой связью.

2.Разработан метод анализа интерференционных картин, позволяющий осуществлять высокоточное измерение малых угловых перемещений, основанный на выбранных информативных признаках.

3.Создана математическая модель оптико-электронного интерференционного устройства контроля малых угловых перемещений, определяющая рекомендации по проектированию основных узлов и устройства в целом.

4.Разработаны методика проведения эксперимента и схемы экспериментальной установки для определения основных параметров оптико-электронных интерференционных устройств контроля малых угловых перемещений, предложены алгоритмы обработки полученных результатов.

Практическая ценность работы.

Разработанные в диссертации инженерные методики, алгоритм и программа для интерферометрического контроля малых угловых перемещений направлены на повышение точности и эффективности процесса измерения.

2.Разработаны оригинальная схема микропроцессорного модуля и устройства контроля малых угловых перемещений.

10

Основные результаты, полученные в теоретической части диссертации, доведены до уровня инженерных формул, алгоритмов и методик, что позволяет использовать их при проектировании интерференционных устройств различного назначения, в том числе в геодезических и строительных работах, в производстве крупногабаритных изделий, в системах ориентации и наведения, в авиастроении и космонавтике.

Разработанные устройства защищены патентами РФ.

Реализация и внедрение результатов работы.

Использование результатов диссертационной работы при проведении научно-исследовательских работ 2.95 (№ Гос. регистрации 01970002558) "Адаптивная оптико-электронная система для контроля изделий микро- и радиоэлектроники" и 1.11.98 (№ Гос. регистрации 01980006840) "Исследование принципов алгоритмического конструирования высокоточных оптических датчиков на базе приборов с зарядовой связью" позволило автоматизировать обработку интерферограмм.

Результаты диссертационной работы использованы в производственном процессе технического отдела вагонного депо станции Орел и позволяют:

-применять на практике устройство, комплекс алгоритмов цифровой обработки интерференционных картин для повышения скорости проводимых измерений;

-осуществлять регистрацию интерференционных картин, выделение измерительной информации, ее коррекцию и вывод в удобной для человека форме с целью повышения точности измерений;

-решать задачу о достоверности измерительной информации.

Результаты диссертационной работы используются также в учебном процессе Курского государственного технического университета.

11

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы и отдельные ее части докладывались и обсуждались на: III Международной конференции "Распознавание-97", Курск, 1997 г.; V научно-технической конференции "Материалы и упрочняющие технологии", Курск, 1997 г.; Международной технической конференции "Медико-экологические информационные технологии", Курск, 1998 г.; IV Всероссийской научно-технической конференции "Состояние и проблемы технических измерений", Москва, 1997 г.; V Всероссийской научно-технической конференции "Состояние и проблемы технических измерений", Москва, 1998 г.; VI Российской научно-технической конференции "Материалы и упрочняющие технологии", Курск, 1998 г.; IV научно-технической конференции с международным участием "Распознавание-99", Курск, 1999 г.; X юбилейной научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов "Датчик-98", Гурзуф, 1998 г.; IX Международной научно-технической конференции "Лазеры в науке, технике, медицине", Москва, 1999 г.; и XI научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов "Датчик-99", Гурзуф, 1999 г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 работ, в том числе получено 2 патента РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложений. Работа содержит 103 страницы основного текста, 24 рисунка, 2 таблицы, 3 приложения, список цитируемой литературы из 88 наименований, общее количество 130 страниц.

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Емельянов, Алексей Анатольевич

Результаты работы использованы при проведении научно-исследовательских работ 2.95 (№ Гос. регистрации 01970002558) "Адаптивная оптико-электронная система для контроля изделий микро- и радиоэлектроники" и 1.11.98 (№ Гос. регистрации 01980006840) "Исследование принципов алгоритмического конструирования высокоточных оптических датчиков на базе приборов с зарядовой связью", в учебном процессе Курского государственного технического университета. Разработанные устройства прошли эксплуатационные испытания в техническом отделе Орловского вагонного депо, а так же в Курском государственном техническом университете.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Емельянов, Алексей Анатольевич, 2000 год

1. Аванесян Г.Р., Левшин В.П. Интегральные микросхемы ТТЛ, ТТЛШ: Справочник. М.Машиностроение, 1993.-216 с.

2. Адаптивная оптико-электронная система для контроля изделий микро- и радиоэлектроники / Отчет по теме 1.2.95 № гос. регистрации 01970002558, инв. № 02.20.0000020. Архипов А.Е., Дегтярев C.B., Емельянов A.A. и др.- 75 с.

3. Аигина Ч. Р., Богомолов П. А., Сидоров В. И. Новое поколение фотоприемных устройств ИК диапазона // В кн. "Зарубежная электронная техника". М.: ЦНИИ "Электроника". № 5, 1982, С. 3-81.

4. Аналоговые интегральные схемы: Справочник/А. Л. Булычев, В. И. Галкин, В. А. Прохоренко. 2-е изд., перераб. и доп. - Мн: Беларусь, 1993.-382 с.

5. Анго А. Математика для электро- и радиоинженеров. М.: Наука, 1964 г. - 772 с.

6. Андреев А.Д., Кудрявцев Ю.В. Квазиоптимальный алгоритм обработки сигнала в интерференционном угломере//Изв. Вузов СССР. Приборостроение. -1988.- № 8 С. 83-86;

7. Архипов А.Е., Дегтярев C.B., Емельянов A.A. Автоматизированное измерение геометрических параметров объектов в ИИС // Материалы и упрочняющие технологии 97: Тез. и материалы докладов V НТК с международным участием.- Курск, 1997.-С. 97.

8. Архипов А.Е., Емельянов A.A., Костюков Е.В. Определение координат центра объекта в информационно-измерительных системах // Сборник материалов III международной конференции "Распознование-97": Тез. докл. Курск, 1997. - С. 98-99.

9. Балашкршпнан А. В. Теория фильтра Калмана. М.: Мир, 1988. - 169 с.

10. Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных. М.: Мир, 1989.- 540 с.

11. Борн М., Вольф Э. Основы оптики.- М.: Наука, 1973. 719 с.

12. Букреев В.И. Дмитриева М.Н. Телевизионная камера на матрице ПЗС с предварительной обработкой сигналов для вычисления координат точечных источников света//Изв. Вузов СССР. Приборостроение 1991. -№ 10. С. 105.

13. Бутаков, В.И. Островсткий, И.Л. Фадеев. Обработка изображений на ЭВМ. -М.: Радио и связь, 1987. 240 с.

14. Быстрые алгоритмы в цифровой обработке изображений /под. ред. Т.С. Хуан-га. М.: Радио и связь, 1984. - 221 с.

15. Васильев В.Н., Гуров И.П. Компьютерная обработка сигналов в приложении к интерферометрическим системам Спб.: БХВ-Санкт-Петербург, 1998. - 240 с.

16. Веселков В.В., Тарасюк М.В. Метод функционального контроля ошибок считывания в преобразователях перемещения с рекурсивной кодовой шкалой// Изв. Вузов СССР. Приборостроение 1997. - № 7. - С. 40.

17. Вилькоцкий М.А., Личко Г.П. Алгоритм медианной фильтрации для обработки результатов голографических измерений ближних полей антенных систем // Автометрия, 1989. № 2. - С. 24-30

18. Васильев В.И. Проблема обучения распознованию образов. К.: Выща шк., 1989.-64 с.

19. Высокоточные преобразователи угловых перемещений./ Ахметжанов A.A. и др. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 273 с.

20. Высокоточные угловые измерения/Д.А. Аникст, K.M. Константинович И.В. Меськин и др.; Под ред Ю.Г. Якушенкова, М.: Машиностроение, 1987. 480 с.

21. Гужов В.И., Солодкин Ю. Н. Использование свойств целых чисел для расшифровки интерферограмм // Оптика и спектроскопия.-1988. Т.65, Вып. 5.- С. 1123-1128.

22. Гуров И.П. Алгоритмическая коррекция погрешности Аабс в многоканальном интерферометре/ Изв. Вузов СССР. Приборостроение 1991. - № 2. - С. 79.

23. Дегтярев C.B., Емельянов A.A., Хорошев М.В. Автоматическое определение параметров движения объекта // Датчики и преобразователи систем измерения , контроля и управления: Тез. доклада XI НТК с участием зарубежных специалистов. Гурзуф, 1999. С. 109-110.

24. Дегтярев C.B., Емельянов A.A., Применение ПЗС в интерференционных системах измерения малых угловых и линейных перемещений// Состояние и проблемы технических измерений: Тез. докл. V Всероссийской научно-техническая конференция, М.: 1999. - С. 18

25. Дегтярев C.B., Емельянов A.A., Хорошев М.В. Методы интерферометрии в системах обработки и распознования изображений // Медико-экологические информационные технологии: Тез. докл. МТК, Курск, 1998. С. 192

26. Дегтярев C.B., Емельянов A.A., Ширабакина Т.А. Устройство для автоматизированного измерения малых угловых перемещений.- Патент России № 2138014, кл G 01 В 11/26, бюл. № 1494 от 01.01.99

27. Дегтярев C.B., Емельянов A.A., Ширабакина Т.А. Устройство для автоматического определения изменений угловой координаты объекта. Патент России № 2149355, кл G 01 В 11/26, бюл. № 1571 от 29.05.00

28. Емельянов A.A., Хорошев М. В. Описание интерференционных изображений в автоматизированных измерительных системах//"Распознавание-99": Тез. доклада IV Международ, конф., Курск, 1999. С. 226-228107

29. Емельянов A.A., Рубанов А.Ф., Титов B.C. Автоматическая регулировка экспозиции в оптических измерительных устройствах на ФПЗС // Состояние и проблемы технических измерений: Тез. докл. 4ой всеросийской НТК, М.: -1997.-С. 37.

30. Измеритель угловых и линейных перемещений на основе двухчастотного лазера/ Атутов С.Н. и др.//Автометрия, 1975. № 5. - С. 20-25

31. Интерферометр на основе двухчастотного лазера для измерения линейных или угловых перемещений./ Атутов С.Н. и др.// МДНТП "Применение ОЭП в измерительной технике", 1973. С. 43-47.

32. Ищенко Е.Ф., Климков Ю.М. Оптические квантовые генераторы. М., Советское радио, 1968. 472 с.

33. Калитеевский Н.И. Волновая оптика: Учебное пособие для вузов.-3-е изд.,-М.: Высш. шк., 1995.- 463 с.

34. Климков Ю.М., Хорошев М.В. Лазерные приборы, М.: МИИГАиК, 1982. 115 с.

35. Константинович K.M., Хорошев М.В. Информационные параметры изображения в интерференционных угломерах,- ОМП, 1983. № 5. - С. 28-31.

36. Константинович K.M., Хорошев М.В. Устройство для измерения угловых перемещений объекта.- A.C. № 1696857, кл. G 01 b 11/26

37. Коронкевич В.П., Соболев B.C., Дубинцев Ю.Н. Лазерная интерферометрия. Новосибирск: Наука, 1983. 157 с.

38. Коронкевич В.П., Ханов В.А. Современные лазерные интерферометры перемещений.- Автометрия, 1982. № 6. - С. 15-17

39. Лурье В.Н., Хорошев М.В. и др. Фотоэлектронный угломер.- A.C. № 787894, кл. G01 Ъ 11/26

40. Ляховский A.B. Интерферометрическое устройство для измерения угловых перемещений объекта.- A.C. N 697809, кл. G 01 b 11/26

41. Мэйтлэнд А., Данн М. Введение в физику лазеров. М.: Наука, 1978. - 407 с. 52-Носов Ю.Р., Шилин В.А. Физика приборов с зарядовой связью. - М.: Наука,1986.- 320 с.

42. Однокристальные микроЭВМ. М. :МИКАП, 1994,- 400 с. /Справочник. 54.Оптическая обработка информации/под ред Д. Кейсесента, пер с а нгл.-М.: Мир, 1980.-349 с.

43. Оптический производственный контроль/под ред. Д. Малакары.-М.: Машиностроение, 1985. 400 с.

44. Особенности обнаружения точечного источника опто-электронным прибором с матричным фотопреобразователем с зарядовой связью.// Изв. Вузов СССР. Приборостроение 1991. - № 3. - С. 66-69.

45. Полупроводниковые приборы. Диоды высокочастотн-ые, импульсные опто-электронные приборы: Справочник-2-e.,стереотип.-/А.Б. Гитцевич, A.A. Зайцев, В.В. Моряков и др.:Под ред. A.B. Голомедова. М.: КУБК-а, 1996. - 512 с.

46. Порфирьев Л.Ф. Основы теории преобразования сигналов в оптико-электронных системах. Л.: Машиностроение, 1989. - 512 с.

47. Пресс Ф.П. Приборы с зарядовой связью., М.: Радио и связь, 1991. 175 с.

48. Прэтт У. Цифровая обработка изображений: Пер с англ. М.: Мир, 1982. - Кн.1. 312 с.

49. Прэтт У. Цифровая обработка изображений: Пер с англ. М.: Мир, 1982. - Кн.2.-480 с.

50. Розенфельд А. Распознавание и обработка изображений. -М.: Мир, 1972. 230 с.

51. Сергеев С.З., Коляда В.В. Лазерные измерительные модули для контроля неплоскостности и соосности М-215 и М-216// Тез. докл. Всесоюзной конферен109ции "Оптико-электронные измерительные устройства и системы" Томск: Радио и связь, 1989. - С. 87-91.

52. Системы технического зрения., справочник под ред. В.И. Сырямкина, B.C. Титова, Томск МГП "РАСКО" 1993. 367 с.

53. Скоков И. В. Многолучевые интерферометры. М.: Машиностроение, 1969. -247 с.

54. Скоков И.В. Многолучевые интерферометры в измерительной технике. М.: Машиностроение, 1989. - 256 с.

55. Скоков И.В. Расчет спектральных интерференционных приборов. -М.: Машиностроение, 1983. 79 с.

56. Скрибанов Е.В., Гришин М.П., Братенков A.A. Устройство для измерения линейных перемещений//Измерительная техника. 1983. - N11. - С. 13-15.

57. Стенин В.Я. Применение микросхем с зарядовой связью. М.: Радио и связь, 1989.-256 с.

58. Теория оптических систем/Б.Н. Бегунов, Н.П. Заказнов, С.И. Кирюшин, В.И. Кузичев. М., 1981.-412 с.

59. Фаронов В.В. Турбо Паскаль 7.0. Начальный курс. Учебное пособие. М.: Но-лидж, 1998.-616 с.

60. Федоров И. В. Разработка и исследование метода интерферометрического контроля микрокомпонентов радиоэлектронной аппаратуры: Автореф. дис. к-та техн. наук. С.-Пб., 1997. - 21 с.

61. Фотонные измерители скорости транспортных средств /Дегтярев С.В., Емельянов A.A., Титов B.C., Ширабакина Т.А. // Лазеры в науке, технике, медицине: Сб. тез. докл. IX МНТК, М.: 1999. - С. 141110

62. Фотоэлектрические преобразователи информации /JI.H. Преснухин, С.А. Майоров, И. В. Мескин, В.Ф. Шангин; под ред. J1.H. Преснухина. М., 1974. -376 с.

63. Шестопалов Ю. Н. Метрологическое обеспечение углометрии в машиностроении/Измерение, контроль, автоматизация. 1991. -№ 2. С. 20-26.

64. Якушенков Ю. Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. М.: Логос, 1999.-480 с.

65. Bird Н.М.В. A computer controlled interferometer system for precision relative angle measurements.- Rev.Scient. Instrum., 1971, vol.42, № 10.

66. Chapman G.D. Interferometric angular measurement.- Applied Optics, 1974, vol.13, №7.

67. Creath K. Phase measurement interferometry techniques // Progress in Optics. 1988. V. 26. Chap. 5.

68. De Cou A.B. Interferometric Star Tracking.- Applied Optics, 1974, vol.13, № 2.

69. Goodwin D.W. An interferometer for the measurement of angular displacements.-Optica Acta, 1979, vol.26, № 2

70. Jablonski R., Toyama A. Calibration of photo-electric autocollimator with a laser interferometer system and microcomputer.-Bull. Res. Lab. Precis. Mach. and Electron., 1979.

71. Hibino K., Oreb B. F., Farrant D. I. Phase shifting for nonsinusoidal waveforms and phase-step fringe patterns // J. Opt. Soc. Am. A. 1995 V. 12. N4.

72. Ledger A.M. Monolithic interferometric angle sensor.- Applied Optics, 1975, vol.14, №12.

73. Malacara D., Harris O. Interferometric measurement of angles. Applied Optics, 1970, vol.9, №7.

74. Макет оптико-электронного интерференционного устройства контроля малых угловых перемещений116Рис. 3Рис. 4118