Сравнительное исследование нуль-индикаторов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Нямверу Бонифаций Эфраим

• Нямверу Бонифаций Эфраим
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Нямверу Бонифаций Эфраим

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1 История угловых измерений

1.1 Современные гониометры

1.1.1 Статические гониометры

1.1.2 Автоколлиматоры

1.1.3 Принцип работы автоколлиматора

1.1.4 Энкодеры как угловая шкала в гониометрических системах

1.1.5 Принцип работы оптических энкодеров

1.1.6 Инкрементные оптические угловые энкодеры

1.1.7 Абсолютные оптические угловые энкодеры

1.1.8 Ограничения статического гониометра

1.2 Динамические гониометры

1.2.1 Кольцевой лазерный гироскоп

1.2.2 Эффект Саньяка

1.2.3 Принцип работы кольцевого лазера

1.2.4 Принцип измерения лазерного динамического гониометра

1.2.5 Генерация сигнала в лазерном динамическом гониометре

1.2.6 Метрологические характеристики КЛ как угловой шкалы

1.2.7 Источники погрешности ЛДГ

1.2.8 Погрешности, связанные с настройкой компонентов

1.2.9 Погрешности при чтении и ведении 35 1.2.10Погрешности углового масштаба

2 Методики калибровки угловых шкал 37 2.1 Калибровка методом замыкания окружности

2.1.1 Метод кросс-калибровки

2.1.2 Метод калибровки прямым сравнением

2.1.3 Калибпровка на оси

2.1.4 Внеосевая калибровка

2.1.5 Самокалибровка

2.1.6 Метод калибровку по среднему равному делению 42 2.2 Многогранные призмы

2.2.1 Типы многогранных призм

2.2.2 Технические характеристики МП 46 3 Оптические нуль-индикаторы

3.1 Типы нуль-индикаторов

3.1.1 Автоколлимационный нуль-индикатор

3.1.2 Интерференционный нуль-индикатор

3.1.3 Классификация нуль-индикаторов

3.1.4 Автоколлимационный нуль-индикатор с одной щелью

3.1.5 Двухщелевой автоколлимационный нуль-индикатор

3.1.6 Обычный и цифровой автоколлимационный нуль-индикатог

3.1.7 Автоколлимационный нуль-индикатор с квадрантным фотодетектором

3.1.8 Другие типы автоколлимационных нуль-индикаторов

3.2 Влияние неплоскостности отражающей поверхности

на измерение угла

3.2.1 Факторы, влияющие на угловые измерения автоколлиматора

3.2.2 Топографические измерения поверхности

3.2.3 Количественная оценка рельефа поверхности

3.2.4 Интерферометры и измерения микрорельефа поверхности

3.2.5 Интерферометр Физо с фазовым сдвигом

3.2.6 Влияние неплоскостности отражающей поверхности

на измерения

3.3 Цель исследовательского проекта 80 3.3.1 Значимость исследований

4 Эксперименты

4.1 Систематическая погрешность автоколлимационного нуль-индикатора

4.1.1 Устранение систематической погрешности

4.1.2 Лабораторный эксперимент

4.2 Сравнение двух нуль-индикаторов

4.2.1 Планирование эксперимента

4.2.2 Постановка эксперимента для сравнения

двух нуль-индикаторов

4.2.3 Измерение рельефа поверхности МП

4.3 Экспериментальная оценка влияния рельефа

отражающей поверхности на калибровку многогранных призм

4.3.1 Материалы и методология эксперимента

4.3.2 Выделение влияния угловых отклонений на калибровку многогранной призмы

4.3.3 Экспериментальная установка 116 Заключение 122 Ссписок публикаций 129 Благодарности 130 Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Сравнительное исследование нуль-индикаторов»

ВВЕДЕНИЕ

Точное измерение плоского угла очень важно из-за его широкого применения в различных областях, таких как приборостроение, метрология и другие технологические области. Системы и приборы для измерения углов используются в промышленности для точного позиционирования деталей, в метрологии для калибровки оборудования для измерения углов [1], в медицине для измерения подвижности суставов, в вооруженных силах для точного прицеливания оружия и так далее.

Единицей измерения плоского угла в системе СИ, принятой Генеральной конференцией мер и весов (CGPM), является радиан. Однако эта единица не поддается измерению, поскольку не существует какого-либо измерительного устройства, которое могло бы непосредственно измерять плоский угол в соответствии с определением радиана [2] (т.е. на основе измерения длины соответствующей дуги и ее радиуса с вычислением их соотношений). Измерение плоского угла основано на концепции вращения вокруг неподвижной оси, при которой измерение производится путем соответствующего деления всей окружности, что представляет собой естественный и безошибочный угловой стандарт в 2п рад. [3]

Гониометр (угломер) является одним из наиболее точных и широко используемых приборов для измерения плоских углов без использования определения в радианах. Гониометры используются многими компаниями-производителями оптики и приборов, а также метрологическими учреждениями. Современный рынок предлагает множество типов гониометров, каждый из которых предназначен для решения конкретной задачи и обладает уникальными эксплуатационными характеристиками и уровнями точности. Существуют статические гониометры, в которых используется автоколлиматор, и динамические гониометры, в которых используются оптические нулевые индикаторы. Измерения в статическом гониометре проводятся при неподвижном вра-

щающемся столе и многогранной призме (измеряемом объекте) для считывания и сравнения показаний измеряемого объекта и эталонной шкалы. В этом режиме используется оптическое устройство - автоколлиматор, которое измеряет отклонения нормали отражающей поверхности измеряемого объекта от его оптической оси [4]. Статические гониометры надежны, но основным недостатком является длительное время измерения.

С другой стороны, лазерный динамический гониометр обеспечивает полную автоматизацию процесса измерения, что ускоряет процесс измерения. Такие приборы обладают высокой степенью однородности угловой шкалы и высокой точностью. Динамический гониометр требует использования оптического нуль-индикатора, который обеспечивает оптическое взаимодействие с отражающими поверхностями испытуемого объекта во время измерения угла. Оптический нуль-индикатор - это устройство, которое используется для инициирования считывания данных об угле с датчика угла динамического гониометра и фиксирует момент, когда его оптическая ось перпендикулярна отражающей поверхности измеряемого объекта. Высокая точность динамических гониометрических измерений в основном зависит от точности оптического нулевого индикатора и плоскостности отражающей поверхности объекта тестирования. Эти нуль-индикаторы являются чрезвычайно чувствительными устройствами, и, следовательно, с ними связано множество источников ошибок гониометра. Любые небольшие отклонения формы отражающей поверхности от плоскости приводят к неконтролируемым погрешностям измерений.

Проблема дополнительной случайной и систематической погрешности в динамическом измерителе для высокоточного измерения угла является актуальной и очень важной.

Основная цель исследования: Исследование особенностей метрологических характеристик современных типов оптических нуль-индикаторов и предложение дальнейших путей повышения точности таких измерений. Для достижения основной цели работы решались следующие задачи:

• Изучение различных типов оптических нуль-индикаторов

• Проведение лабораторных экспериментов с использованием автоколлимационного нуль-индикатора для оценки влияния его настройки на угловые измерения

• Проведение сравнительного анализа измерений, осуществленных с помощью автоколлимационного и интерферометрического нуль-индикатора

• Проведение лабораторных экспериментов для оценки влияния рельефа отражающей поверхности на измерение углов с помощью динамического гониометра

• Развитие способов улучшения точности оптических нуль-индикаторов для динамических методов измерения углов.

Исследуемый объект: Оптический нуль-индикатор для высокоточного измерения угла с помощью лазерного динамического гониометра.

Предмет исследования: Способы повышения точности измерений с помощью лазерного динамического гониометра с оптическими нуль-индикаторами.

Методы исследования: Для развития способов повышения точности угловых измерений на кафедре лазерных измерительных и навигационных систем (ЛИНС) были проведены различные лабораторные эксперименты. Эксперименты включали измерения плоских углов восьмигранного оптического многогранника с использованием лазерного динамического гониометра с различными типами оптических нуль-индикаторов. В ходе лабораторных исследований были рассмотрены факторы, влияющие на процесс измерения. Одним из таких факторов, которые проявляются при экстремальных уровнях точности, является тип применяемого нуль-индикатора и его взаимодействие с неидеально ровной отражающей поверхностью эталона, которым является многогранная призма. Результаты, полученные в ходе этих экспериментов, были сопоставлены с номинальным значением многогранной призмы. Полученные

результаты измерений были проанализированы с помощью программного обеспечения Origin Lab.

Научная новизна: Новизна заключается в использовании автоколлимационного нуль-индикатора с повышенной чувствительностью

1. Это первая попытка изучения систематической ошибки автоколлимационного нуль-индикатора с использованием квадрантного фотодетектора.

2. Ранее не проводился сравнительный экспериментальный анализ работы интерференционного и автоколлимационного нулевых индикаторов.

3. Представлен новый подход к экспериментальной оценке влияния рельефа отражающей поверхности на угловые измерения.

Теоретическая значимость работы: Несмотря на то, что проведенная работа носила чисто экспериментальный характер, полученные результаты позволили подтвердить несколько положений, которые ранее рассматривались только теоретически. Теоретические аспекты заключаются в следующем:

1. Разработана модель возникновения систематической ошибки автоколлимационного нуль-индикатора.

2. Было продемонстрировано, что такие статистические параметры качества отражающей поверхности, как среднеквадратичные значения и отношение пика к впадине отклонений точек поверхности (peak to value), не могут быть применены для прогнозирования разницы между угловыми измерениями, проведенными с использованием различных типов нулевых индикаторов.

Практическая значимость работы: В настоящее время динамические гониометрические системы являются одними из наиболее точных средств измерения плоских углов. Они достигают точности в десятые доли угловой секунды и даже больше. На данном уровне их преобладающей областью применения является высокоточная метрология. Вместе с угловыми эталонами

(например, оптическими многогранниками, клиньями и т.д.) динамические гониометрические системы используются в метрологических процедурах передачи единицы измерения плоского угла из основного стандарта в промышленное оборудование для измерения угла или даже между промежуточными стандартами высокого ранга. Чем выше требуемая точность измерения, тем больше факторов, влияющих на процесс измерения, которые следует учитывать. Одним из таких факторов, возникающих при экстремальных уровнях точности, является тип применяемого нуль-индикатора и его взаимодействие с неидеально ровной отражающей поверхностью эталона.

Следовательно, исследование влияния типа нуль-индикатора вместе с качеством отражающей поверхности имеет важное значение для оценки уровня точности, при котором измерения, проводимые с различными типами нуль-индикаторов, остаются совместимыми друг с другом.

Исследование представляет собой подробный обзор и классификацию современных нуль-индикаторов с указанием их характеристик и точности. Предложены и изучены два метода устранения систематической ошибки автоколлимации нуль-индикатора, вызванной несоосностью квадранта фотодетектора. Подтверждено влияние качества отражающей поверхности на соответствие угловых измерений, проводимых с использованием различных типов нулевых индикаторов. Кроме того, изучение эксплуатационных характеристик различных типов нуль-индикаторов поможет более точно определить их измерительные возможности и определить области применения, особенно в метрологических институтах, отраслях промышленности и т.д. Основные положения, выносимые на защиту:

1. Для автоколлимационных нуль-индикаторов для каждой отдельной отражающей поверхности величина систематической погрешности определяется как произведение двух углов: вертикального наклона нормали к поверх-

ности относительно оптической оси нуль-индикатора и угла между вертикальным зазором квадрантного фотодиода (или анализирующей щелью) и осью вращения.

2. Автоколлимационный нуль-индикатор на основе квадрантного фотодиода позволяет использовать два метода регулировки наклона регистрирующего устройства в отличие от устройств с анализирующей щелью: первый метод основан на формировании сигнала на осциллографе, а второй метод основан на анализе данных измерений. Второй метод является предпочтительным.

3. Статистические параметры качества отражающей поверхности, такие как среднеквадратичные отклонение и размах отклонений (peak-to-valley) точек поверхности, не могут быть применены для прогнозирования разницы между угловыми измерениями, проведенными с использованием различных типов нуль-индикаторов.

4. В динамическом гониометре два разных типа нуль-индикаторов вносят разный уровень систематических ошибок в диапазоне ±0.06 угл.секунды даже если все условия измерений сохранялись для обоих нуль-индикаторов.

Апробация полученных результатов. Основные результаты этой исследовательской работы были представлены на конференциях молодых ученых IEEE (2023 и 2024 гг.), на саммите Россия - Африка и на кафедральных семинарах.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ, в том числе три (3) статьи опубликованы в ведущих отечественных рецензируемых журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией, и 2 публикации, проиндексированные в международной базе данных Scopus.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы, содержащего 66 источников. Диссертация содержит 138 страниц, 52 рисунка и 11 таблиц.

1 ИСТОРИЯ УГЛОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

Ранее 1500 г. до н. э. не существовало надлежащего инструмента для измерения углов, вместо этого тень Солнца измерялась по градуировке, выгравированной на каменных таблицах. Грома была первым известным углоизме-рительным инструментом, использовавшимся для определения прямых углов. Она состояла из четырех камней, подвешенных на гибкой веревке к палкам под прямым углом, и измерения проводились путем визуального совмещения двух болтающихся веревок с точкой, которую нужно было отложить. Грома использовалась в качестве геодезического инструмента при строительстве дорог. Было обнаружено множество типов громы с различными конструкциями и технологиями строительства. В процессе развития геодезических приборов появились диоптры, теодолит, делительные круги, а использование микрометра для деления делений круга или дуги стало наиболее популярным способом получения высокого порядка точности углоизмерительных приборов. [4] Развитие гониометра неразрывно связано с прогрессом в исследовании кристаллов. Кристаллы - это твердые минералы, которые по своей природе отличаются невероятной регулярной метрической структурой, имеющей естественную геометрически правильную форму с симметрично расположенными плоскими гранями. При изучении кристаллов требовалось определить угол между двумя гранями кристалла кварца. В 1783 году Арнольд Каранжо, французский минералог, изобрел первый прибор для измерения угла между двумя гранями кристалла. Прибор был назван контактным гониометром. Этот тип гониометра состоял из двух металлических стержней, шарнирно соединенных в центре градуированного полукруга. Стержни приводились в соприкосновение с гранями, когда прибор устанавливался плоскостью, перпендикулярной грани между двумя гранями измеряемого кристалла. Угол между двумя гранями измеряемого кристалла определялся по углу между рисками, отсчитываемому по градуированному полукругу. Точность этого типа гониометра составляла в лучшем случае около 15 минут. [5]

В 1809 году английский физик Уильям Хайд Волластон разработал оптический гониометр, позволяющий измерять углы между гранями кристалла с помощью света, отраженного от граней. Прибор состоит из градуированного круга, расположенного вертикально и соединенного с осью вращения, расположенной горизонтально. Измеряемый кристалл удерживался винтом на вращающемся градуированном столике таким образом, чтобы грань между двумя интересующими гранями была параллельна горизонтальной оси вращения. Источник света располагался на определенном расстоянии и был направлен на разные грани кристалла. Угол между гранями кристалла определялся как разность показаний градуированного столика, на который падал отраженный от граней свет. Точность этого гониометра составляла 5 угловых минут. [6]

Развитие науки в области гониометрии привело к созданию новых приборов и прогрессивных методов и средств измерения углов, позволяющих автоматически вращать исследуемый объект с градуированной угловой шкалой в горизонтальной плоскости, включая различные вспомогательные элементы, оптимизировать конструкции и повысить точность гониометров [7], что позволяет сохранить в качестве спектрометра и сохранить назначение современного гониометра для измерения плоских углов граней или сечений кристаллов.

Идея использовать в современных гониометрах вместо кристаллов оптический многоугольник (ОП) возникла очень давно, когда в астрономии возникла необходимость измерять углы с очень высокой точностью, а также калибровать измерительные приборы для повышения точности их измерений. В 1954 году в своей публикации "Калибровка круговой шкалы и прецизионной многогранной призмы" А. Х. Кук описал калибровку многогранной призмы путем точного решения набора уравнений для разности углов между его гранями. [8] После нескольких лет прогресса в области угловой метрологии многогранная призма стал играть роль угловой меры, где гониометры использовались в качестве эталонов национальными метрологическими институтами разных стран.

1.1 Современные гониометры

Плоский угол нельзя путать с телесным углом. Определение плоского угла, принятое Генеральной конференцией мер и весов (ГКМВ), - это угол между двумя радиусами окружности, отсекающий на окружности дугу, равную по длине радиусу, а его единицей СИ является радиан. Однако на практике плоский угол является самостоятельной мерой, получаемой путем соответствующего деления всей окружности, не опираясь на определение радиана [3].

Гониометр - один из наиболее точных и широко применяемых приборов для измерения плоских углов, принцип действия которого основан на концепции вращения вокруг неподвижной оси, где измерение производится путем соответствующего деления всего круга, который представляет собой естественный и безошибочный угловой эталон в 2п рад. [9] По методам измерений различают два типа гониометров: Контактный и отражательный (бесконтактный) гониометр. Бесконтактный (отражательный) гониометр - это высокоточный прибор, предназначенный для измерения углов отклонения света и измерения углов между плоскими поверхностями различных объектов, способных отражать световые лучи. [10] Такой гониометр является наиболее точным и в настоящее время широко используется в метрологических институтах, приборостроении (изготовление оптических приборов на оптических предприятиях) и других научных и промышленных областях. Кроме того, гониометры отражения (бесконтактные) можно разделить по назначению. Существуют гониометры для калибровки многогранных призм, измерения показателя преломления, измерения внешних углов, измерения углов между двумя отражающими поверхностями [8]. Данный исследовательский проект посвящен гониометру отражения (лазерному динамическому гониометру - ЛДГ) для калибровки многогранных призм).

Гониометрическая система для калибровки многогранной призмы состоит из таких элементов, как угловая шкала; поворотный стол; привод, задающий поворот; оптическое устройство, задающее направление отсчета; электронный блок, обеспечивающий работу двигателя и предварительную обработку данных; персональный компьютер для приема и обработки данных. Исследуемый объект закрепляется на поворотном столе, как показано на рис. 1.1. Существуют статические и динамические отражательные гониометры[11].

Рисунок 1.1 - Блок-схема гониометрической системы

1 - привод; 2 - угловая шкала; 3 - поворотный стол; 4 - многогранная призма; 5 - оптический прибор; 6 - электронный блок; 7 - персональный

компьютер

1.1.1 Статические гониометры

На рисунке 1.2 ниже показана статическая установка гониометра для калибровки многогранной призмы. В статическом режиме подвижные части гониометрической системы - исследуемый объект (многогранная призма) и вращающийся стол - остаются неподвижными в момент измерения. В качестве оптического прибора используется автоколлиматор, который измеряет отклонение к нормали отражающей поверхности многогранной призмы (МП) от оптической оси автоколлиматора.

Рисунок 1.2 - Статический гониометр

1 - винт регулировки высоты гониометра, 2 - корпус гониометра; 3 -поворотный стол; 4 - круговая линза автоколлиматора, 5 - телескоп автоколлиматора, 6 - крышка корпуса автоколлиматора, 7 - корпус автоколлиматора, 8 - стойка автоколлиматора; 9 - винт регулировки высоты автоколлиматора

Принцип работы статического гониометра основан на измерении угла отклонения грани тестируемого объекта (многогранной призмы) от номинального значения с помощью автоколлиматора. Кроме того, угловая шкала в статическом гониометре обычно представлена оптическими датчиками угла [12] Например, для 8-гранной многогранной призмы номинальное значение угла равно 45°, а измеренное значение может составлять 45° 0'0,39''. Отклонение составляет 0,39 угл. секунды.

Автоколлиматор закреплен на подставке, измеряемый объект (многогранная призма) закреплен на вращающемся столе, который вращается вместе с угловой шкалой (оптическим энкодером), приводимой в движение двигателем внутри основания гониометра. Автоколлиматор обычно закрепляется таким образом, чтобы его оптическая ось была перпендикулярна оси вращения

15

гониометра. Измеряемые величины определяются по разности показаний автоколлиматора на измеряемой отражающей поверхности многогранной призмы.

1.1.2 Автоколлиматоры

Автоколлиматор - это оптический углоизмерительный прибор, используемый для бесконтактного измерения малых углов (малых угловых отклонений) с очень высокой чувствительностью. По сути, это телескоп и коллиматор, объединенные в один прибор. Существуют различные типы автоколлиматоров, но в соответствии с методами обработки и представления информации их можно разделить на две группы: визуальные и цифровые автоколлиматоры. В визуальном автоколлиматоре смещение отраженного изображения определяется визуально. Отраженное изображение от источника света с отверстием наблюдает человек-оператор через окуляр. Визуальные коллиматоры обычно фокусируются на бесконечность, что делает их полезными как для применения на коротких расстояниях, так и для измерений на больших расстояниях.

Цифровой автоколлиматор использует фотодетектор, который может улавливать и обнаруживать отраженный луч света. Основное преимущество этого типа коллиматора заключается в том, что он использует технологию цифровой обработки сигнала для обнаружения и обработки отраженного луча, которая позволяет отфильтровать рассеянный свет, что повышает качество изображения.[13] Автоколлиматоры используются для измерения малых углов с высокой степенью разрешения. Они используются для различных целей, таких как точное выравнивание, проверка угловых эталонов, обнаружение углового перемещения и т.д.[14] Они также используются для контроля наклона вращающегося стола вместе с многогранной призмой в гониометрических системах.

1.1.3 Принцип работы автоколлиматора

Свет от источника 1 проецируется на освещенную щель 2. Затем свет падает на светоделитель 3 и отражается от него на объектив 4, который колли-мирует два параллельных пучка света, попадающих на поверхность испытуемого объекта 5. Если отражающая поверхность расположена идеально вертикально (не наклонена), то отраженный свет от тестовой поверхности попадает обратно на ПЗС-датчик 6, который формирует изображение освещенного объекта. Обычно ПЗС-датчик располагается в фокальной плоскости объектива коллимирующей линзы. В этом случае отклонения не обнаруживается, поскольку отражающая поверхность расположена идеально вертикально и изображение освещенной щели падает точно в фокальную точку [15].

Рисунок 1.3 - Оптическая схема цифрового автоколлиматора

1 - источник света; 2 - объектная диафрагма; 3 - делитель луча; 4 -коллимирующая объектная линза; 5 - отражающая поверхность исследуемого объекта (многогранной призмы); 6 - ПЗС-матрица

В случае, когда отражающая поверхность 5 наклонена под углом 0, изображение освещенной щели не будет падать в фокальную точку, а будет линейно смещено на расстояние d, как показано на рисунке 1.3. Из рисунка 1.3

мы можем извлечь треугольник ABO, который может быть полезен для демонстрации того, что чувствительность автоколлиматора зависит от его фокусного расстояния.

f

Рисунок 1.4 - Теория работы автоколлиматора

Зная расстояние d,

Имеем значение фокусного расстояния f. Тогда:

tan26=j . (1.1)

Из теории работы автоколлиматора на рисунке 1.4 следует, что d - это линейное перемещение, а 0 - угол наклона отражающей поверхности исследуемого объекта. Учитывая, что угол 0 очень мал, его можно считать равным функциям sin и tan, если выразить их в радианах. Принимая это во внимание, последнее выражение для этой зависимости можно записать в виде

d = 2 fe. (1.2)

Приведенные выше соотношения доказывают, что чувствительность автоколлиматора зависит от фокусного расстояния объектива. Чем больше фокусное расстояние, тем больше линейное смещение при заданном наклоне отражающей поверхности [16].

1.1.4 Энкодеры как угловая шкала в гониометрических системах

С развитием технологий сегодня существуют различные методы, которые используются для обеспечения угловой шкалы с высоким разрешением при измерении углов, такие как поворотные индексирующие столы, угловые компараторы, угловые энкодеры, кольцевой лазер и т. д. И оптические угловые

энкодеры, и кольцевой лазер обеспечивают угловую шкалу в гониометрических системах, используя один оптический принцип, но с помощью различных методов. Угловая шкала, созданная с помощью кольцевого лазера может быть использована только в динамических гониометрах, поскольку эта технология зависит от непрерывного вращательного движения. Оптические датчики угла используются как в статических, так и в динамических гониометрах.

Энкодер - это электромеханическое устройство, преобразующее движение рабочего органа в аналоговый или цифровой сигнал, который может быть использован для контроля скорости и положения. Энкодеры используются для преобразования вращательного или линейного движения в аналоговый или цифровой сигнал, чтобы определить скорость или положение двигателя или другого движущегося оборудования. Обычно они выступают в качестве измерительных систем для движущихся частей. В энкодерах применяются различные электромеханические технологии, такие как оптические энкодеры, магнитные, индуктивные, емкостные лазерные энкодеры и т. д. Независимо от типа используемой технологии измерения, существует два типа энкодеров -линейные и поворотные. Энкодеры можно разделить по типу измерения: абсолютные и инкрементальные [17]. Как линейные, так и поворотные энкодеры могут выполнять абсолютные или инкрементальные измерения. В этом разделе мы сосредоточимся на оптических угловых энкодерах, поскольку они используются в гониометрических системах для обеспечения круговых шкал с высокой точностью.

1.1.5 Принцип работы оптических энкодеров

Оптический энкодер был первым бесконтактным устройством, разработанным для решения проблемы износа, с которой сталкивались контактные энкодеры. Сегодня оптические энкодеры обеспечивают высочайшее разрешение и точность кодирования, а также возможность работы на высоких скоро-

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Нямверу Бонифаций Эфраим, 2024 год

ЛИТЕРАТУРА

1 M. S. Nikolaev and Y. V Filatov, "Algorithm for processing the signal of an interference angular null indicator when prisms having faces with no reflective coating are being calibrated," pp. 648-650, 2011.

2 O. B. Basun, V. A. Granovsky, and M. D. Kudryavtsev, "Precision scales of plane angle: Principles and methods of calibration," 18th IMEKO World Congr. 2006Metrol. a Sustain. Dev., vol. 1, pp. 88-91, 2006.

3 V. A. Granovsky and M. D. Kudryavtsev, "The plane angle concept and its unit in the context of traceability problem," 18th IMEKO World Congr. 2006 Metrol. a Sustain. Dev., vol. 2, pp. 1216-1219, 2006.

4 D. A. Wallis, "History of Angle Measurement," From Pharaohs to Geoinformatics FIG Work. Week 2005 GSDI-8 Cairo, Egypt April 16-21, 2005, pp. 2-15, 2005.

5 C. Sir and J. Simon, "The evolution of the goniometer," Nature, vol. 95, no. 2386, pp. 564-565, 1915, doi: 10.1038/095564a0.

6 "Description of a Reflective Goniometer" . William Hyde Wollaston Source : Philosophical Transactions of the Royal Society of London , 1809 , Vol . 99 (1809), Published by: Royal Society Stable URL: https://www.jstor.org/stable/107265," vol. 99, pp. 253-258, 1809.

7 W. G. V. A. N. Dorn, "Estándares ICEA," vol. 22657, num. 1883, p. 22657, 1925.

8 M. N. Kinnane, L. T. Hudson, A. Henins, and M. H. Mendenhall, "A simple method for high-precision calibration of long-range errors in an angle encoder using an electronic nulling autocollimator," Metrologia, vol. 52, no. 2, pp. 244-250, 2015, doi: 10.1088/0026-1394/52/2/244.

9 T. Yandayan, S. A. Akgoz, and H. Haitjema, "A novel technique for calibration of polygon angles with non-integer subdivision of indexing table," Precis. Eng. ,vol. 26, no. 4, pp. 412-424, 2002, doi: 10.1016/S0141-6359(02)00123-X.

10 Ivanov P. A. Autocollimators and Goniometers. Review of Modern Models. Photonics Russia. 2018, vol. 12, no. 1(69), pp. 66-74. doi: 10.22184/19937296.2018.69.1.66.74

11 В. Ю. Венедиктов, Б. Ньямверу, Р. А. Ларичев, Ю. В. Филатов, and Е. В. Шишалова, "Оптические Нуль-Индикаторы Для Гониометрических Систем: Обзор," PHOTONICS Russ., vol. 16, no. 6, pp. 464-474, 2022, doi: 10.22184/1993-7296.fros.2022.16.6.464.474.

12 Elena Ivaschenko, Petr A. Pavlov, Valentina Pukhova, "Dynamic goniometer for industrial applications," Opt. Eng. 55(9), 091405 (2016), doi: 10.1117/1.0E.55.9.091405.

13 "Chapter 4 - Angular Momentum. pdf," Lect. Notes Electr. Eng., 2013.

14 Taylor Hobson Precision, "Autocollimators and Accessories Range," pp. 1-16, 2009. [Online]. Available: www.taylor-hobson.com

15 Y. V. Filatov and R. A. Larichev, "Aberration influence on accuracy of angle measurements by means of autocollimator," Opt. Meas. Syst. Ind. Insp. IX, vol. 9525, 2015, doi: 10.1117/12.2184726.

16 R. Shen, "Preface," Lect. Notes Electr. Eng., vol. 323, no. January 2014, pp. v-vi, 2014, doi: 10.1007/978-3-662-44687-4.

17 R. Akkaya and F. A. Kazan, "A new method for angular speed measurement with absolute encoder," Elektron. ir Elektrotechnika, vol. 26, no. 1, pp. 18-22, 2020, doi: 10.5755/j01.eie.26.1.25307.

18 Dynamics Research Corp, "Techniques For Digitizing Rotary and Linear Motion," pp. 10-11, 1980.

19 Encoder Products Company, "The Basics of How an Encoder Works," White Pap., pp. 1-3, 2019, [Online]. Available: https://www.encoder.com/hubfs/white-papers/WP-2011_Basics/wp2011 -basics-how-an-encoder-works.pdf.

20 M. I. Afandi, H. Adinanta, A. Setiono, Qomaruddin, and B. Widiyatmoko, "High resolution extensometer based on optical encoder for

measurement of small landslide displacements," J. Phys. Conf. Ser., vol. 985, no. 1, pp. 0-6, 2018, doi: 10.1088/1742-6596/985/1/012007.

21 A. O. Encoder, "AE09," https://exxelia.com/en/, 2016.

22 B. Calibrators, Guidelines on the Calibration of, vol. 0, no. July. 2000.

23 E. A. Barinova, S. V. Gordeev, E. M. Ivashchenko, and P. A. Pavlov, "Optophysical measurements: A method and the results of investigating the random error of an optical angle encoder," Meas. Tech., vol. 54, no. 9, pp. 1075-1080, 2011, doi: 10.1007/s11018-011-9852-3.

24 R. Nambiar, "A Survey on Ring Laser Gyroscope Technology," Int. J. Comput. Appl., vol. 116, no. 2, pp. 25-27, 2015, doi: 10.5120/20310-2354.

25 S. M. Nejad and M. Pourmahyabadi, "The performance modeling of Ring Laser Gyro in inertial navigation," Proc. IEEE Int. Conf. Electron. Circuits, Syst., vol. 2, no. July, pp. 318-321, 2006, doi: 10.1109/ICECS.2006.379789.

26 V. M. N. Passaro, A. Cuccovillo, L. Vaiani, M. De Carlo, and C. E. Campanella, "Gyroscope technology and applications: A review in the industrial perspective," Sensors (Switzerland), vol. 17, no. 10, 2017, doi: 10.3390/s17102284.

27 M. Faucheux, D. Fayoux, and J. J. Roland, "The ring laser gyro," J. Opt., vol. 19, no. 3, pp. 101-115, 1988, doi: 10.1088/0150-536X/19/3/001.

28 Y. V. Filatov, P. A. Pavlov, A. A. Velikoseltsev, and K. Ulrich Schreiber, "Precision angle measurement systems on the basis of ring laser gyro," Sensors (Switzerland), vol. 20, no. 23, pp. 1-14, 2020, doi: 10.3390/s20236930.

29 Y. V. Filatov, D. P. Loukianov, and R. Probst, "Dynamic angle measurement by means of a ring laser," Metrologia, vol. 34, no. 4, pp. 343-351, 1997, doi: 10.1088/0026-1394/34/4/7.

30 E. Ivaschenko, P. A. Pavlov, and V. Pukhova, "Dynamic goniometer for industrial applications," Opt. Eng., vol. 55, no. 9, p. 091405, 2016, doi: 10.1117/1.oe.55.9.091405.

31 E. M. Ivaschenko E.M., "The study of laser goniometric systems characteristics.," pp. 6-18, 2017.

32 E. M. Ivashchenko and P. A. Pavlov, "A method of eliminating the influence of magnetic field in a dynamic laser goniometer linear and angular measurements," Meas. Tech., vol. 55, no. 10, pp. 1141-1147, 2013, doi: 10.1007/s11018-012-0099-4.

33 The study of laser goniometric systems characteristics: Methodological guidelines to laboratory works. Comp. by Ivaschenko E.M., Pavlov P. A., SPb.: SPbGETU —LETIII Publishes, 2017. 32 p.

34 A method of eliminating the influence of magnetic field in a dynamic laser goniometer. E. M. Ivashchenko and P. A. Pavlov. Volume 55, pages 1141-1147,(2013)

35 United Nations Industrial Development Organization (UNIDO), "Role of measurement and calibration in the manufacture of products for the global market,"pp.168,2006,[0nline].Available:https://www.heidenhain.de/de_EN/php/do cumentationinformation/brochures/popup/media/media/file/view/file0668/file.pd% 5Cnhttp: //virgophysic s.sas. upenn. edu/uglabs/lab_manual/Error_Analysis.pdf%5Cn http://www.pcb.com/linked_documents/force-torque/catalog/s

36 M. F. F. Pereira, "Calibration angles at the level of tenth of seconds," 18th IMEKO World Congr. 2006Metrol. a Sustain. Dev., vol. 1, pp. 491-493, 2006.

37 C. P. Reeve, "The calibration of indexing tables by subdivision," no. July, 1975.

38 M. Rybokas, L. Siaudinyte, and V. Giniotis, "New approach to precision angle calibration means and methods," 18th IMEKO TC4 Symp. Meas. Electr. Quant. 2011, Part Metrol. 2011, pp. 372-377, 2011.

39 Y. Xia, Z. Wu, M. Huang, X. Liu, L. Mi, and Q. Tang, "An improved angle calibration method of a high-precision angle comparator," Metrol. Meas. Syst., vol. 28, no. 1, pp. 181-190, 2021, doi: 10.24425/mms.2021.136001.

40 P. A. Pavlov, "Aspects of the Cross-Calibration Method in Laser Goniometry," Meas. Tech., vol. 58, no. 9, pp. 970-974, 2015, doi: 10.1007/s11018-015-0827-7.

41 R. D. Geckeler, A. Link, M. Krause, and C. Elster, "Capabilities and limitations of the self-calibration of angle encoders," Meas. Sci. Technol., vol. 25, no. 5, 2014, doi: 10.1088/0957-0233/25/5/055003.

42 T. Watanabe, H. Fujimoto, and T. Masuda, "Self-calibratable rotary encoder," J. Phys. Conf. Ser, vol. 13, no. 1, pp. 240-245, 2005, doi: 10.1088/17426596/13/1/056.

43 S. A. Akgoz and T. Yandayan, "High precision calibration of polygons for emerging demands," J. Phys. Conf. Ser., vol. 1065, no. 14, 2018, doi: 10.1088/1742-6596/1065/14/142005.

44 G. E. Stutz, Polygonal Scanners: Components, Performance, and Design. 2018. doi: 10.1201/9781315218243-4.

45 E. Project, "( EURAMET Project 870 ) Bilateral Comparison of measurements of precision polygons Technical protocol," no. January 2008, 2005.

46 B. Bhushan, "Surface roughness analysis and measurement techniques," Mod. Tribol. Handb. Vol. One Princ. Tribol., pp. 49-119, 2000, doi: 10.1201/9780849377877-10.

47 T. Yandayan, T. Scientific, and H. Haitjema, "A new calibration method for polygons with a pitch angle which does not match with the subdivision of the used," vol. 2, no. May, pp. 3-7, 2002.

48 Yu.V. Filatov, M.S. Nikolaev, R.A. Larichev, "Study of adjustment influence on the autocollimating null-indicator accuracy," 1384.

49 Larichev R.A., "Avtokollimacionnyj nul'-indikator: razrabotka i primenenie v dinamicheskoj goniometrii," Opt. zhurnal, vol. 80, no. 9, pp. 39-44., 2013.

50 " Null-indicator and User Manual, "ZG Optique SA," vol. 41, no. 32, 2024.

51 E. D. Bokhman et al., "Research of dynamic goniometer system for direction measurements," Opt. Eng., vol. 58, no. 09, p. 1, 2019, doi: 10.1117/1 .oe.58.9.094106.

52 P. A. Pavlov, "Digital autocollimating null-indicator for dynamic goniometry," Opt. Eng., vol. 59, no. 10, pp. 1-8, 2020, doi: 10.1117/1.oe.59.10.104103.

53 R. A. Larichev and Y. V. Filatov, "An autocollimation null detector: development and use in dynamic goniometry," J. Opt. Technol., vol. 80, no. 9, p. 554, 2013, doi: 10.1364/jot.80.000554.

54 Evstaf 'ev E.N., Pavlov P.A., "Issledovanie tochnostnyh harakteristik avtokollimacionnogo nul'-indikatora s psevdoshumovoj maskoj. Metody i ustrojstva opticheskoj golografii," - L. Fiz. in-t im., 1983.

55 J. A. Stone, M. Amer, and B. Faust, "Systems Used to Calibrate Angle Artifacts," vol. 109, no. 3, pp. 319-333, 2004.

56 R. D. Geckeler and A. Just, "Distance-dependent influences on angle metrology with autocollimators in deflectometry," Adv. X-Ray/EUV Opt. Components III, vol. 7077, p. 70770B, 2008, doi: 10.1117/12.793742.

57 E. Thwaite, "Surface Topography Measurement and Analysis," Aust. J. Phys., vol. 35, no. 6, p. 777, 1982, doi: 10.1071/ph820777.

58 B. Bhushan, "2.1 The Nature of Surfaces," Mod. Tribol. Handb., vol. 1, pp. 49-120, 2001.

59 Y. Lyu, L. Ma, and Q. Yang, "Experimental Study on the Application of the Michelson Interferometer," vol. 156, no. Meici, pp. 74-77, 2017, doi: 10.2991/meici-17.2017.17.

60 M. Franfon, N. Krauzman, J. P. Mathieu, and M. May, "Michelson Interferometer," Exp. Phys. Opt., pp. 29-38, 2021, doi: 10.1201/9781003062349-4.

61 H. Laser, I. The, A. Michelson, and N. Prize, "Michelson ' S Interferometer," no. January, pp. 1-8, 2017.

62 "Manual-Fabry-Perot-Michelson.pdf."

63 Z. Corporation, "Optical Measurement of Surface Topography," Opt. Meas. Surf. Topogr, no. January 2011, 2011, doi: 10.1007/978-3-642-12012-1.

64 L. L. Deck, "Model-based phase shifting interferometry," Appl. Opt., vol. 53, no. 21, p. 4628, 2014, doi: 10.1364/ao.53.004628.

65 R. D. Geckeler et al., "Report on Key Comparison EURAMET.L-K3 . 2009 Angle Comparison Using an Autocollimator Final Report," Metrologia, vol. 55, no. 1A, p. 04001, 2018, doi: 10.1088/0026-1394/55/1A/04001.

66 P. Bundesanstalt, "Report on EUROMET Project 371 Angle calibration on precision polygons Physikalisch-Technische Bundesanstalt," no. April 1996, 1999.

67 "Киттель Ч. - Введение В Физику." p. 360, 1970.

68 A. Poleshchuk, V. Khomutov, A. Matochkin, R. Nasyrov, and V. Cherkashin, "Laser interferometers for control of optical surface shape," Photonics Russia, no. 4, pp. 38-50, 2016, doi: 10.22184/1993-7296.2016.58.4.38.50.

69 Probst, R. "Measurement of angle and flatness deviations of polygon prism faces using a phase-shifting interferometer." VDI BERICHTE 1118 (1994): 173-173

70 R.D. Geckeler and A. Just Optimized Use and Calibration of Autocollimators in Deflectometry // Proc. SPIE 6704. - 2007. - 670407