Методы контроля прямолинейности, основанные на использовании фотоэлектрических устройств

Выбор метода измерения при контроле прямолинейности является определяющим в успешном решении задачи. Метод измерения должен обеспечивать необходимую точность выверки, позволять применять при контроле прямолинейности достаточно несложные измерительные средства, осуществлять выверку направляющих путей в вертикальной и горизонтальной плоскостях и давать возможность автоматизировать процесс измерения.

Сущность любого метода контроля прямолинейности состоит в измерении отклонений отдельных точек базовых поверхностей направляющих путей от прямой. Положение базовой линии направляющей в пространстве может быть описано уравнением линии пересечения двух плоскостей, касательных к базовым поверхностям. Так как выверка направляющих путей часто осуществляется в плане и по высоте, то базовую линию направляющей в пространстве удобно представить в прямоугольных координатах х, у, z (рис. 10.1). Примем за ось х опорную линию, соединяющую начало и конец направляющих путей и задающую прямолинейность. Проекцию базовой линии направляющей на горизонтальную плоскость можно выразить уравнением кривой:

Проекция базовой линии на вертикальную плоскость задается уравнением:

Для измерения отклонения точек проекций базовой линии направляющих путей y = f(x) и z=(p(x) от прямолинейности можно при использовании фотоэлектрических устройств применять методы прямого измерения и последовательного интегрирования.

В методе прямого измерения определение смещений отдельных точек направляющих путей от прямолинейности осуществляется относительно референтной линии, задаваемой оптическим лучом вдоль выверяемых путей, непосредственно при помощи высокоточных датчиков.

В качестве датчиков для измерения отклонений направляющих от прямолинейности можно использовать фотоэлектрические датчики линейных смещений, аналогичные применяемым при створных измерениях. Такие датчики должны непосредственно базовой точкой своей опоры устанавливаться на базовую поверхность контролируемой направляющей, а механизм закрепления их на направляющей должен обеспечивать надежное контактирование с поверхностью направляющей и сохранять неизменным в пространстве положение оптической оси датчика при его перемещении вдоль контролируемой направляющей.

Поскольку датчики для измерения линейных смещений имеют ограниченный рабочий диапазон, то при применении их для контроля направляющих, имеющих значительные отклонения от прямолинейности, необходимо в схему датчиков вводить измерительные компенсирующие устройства, расширяющие измерительные возможности датчиков. Последнее обстоятельство накладывает серьезные требования к кинематической схеме прибора и снижает его быстродействие.

Блок-схема устройства, основанного на прямом методе измерения, показана на рис. 10.2, где / — осветительная система; II — приемная регистрирующая система.

Рис. 10.2. Блок-схема устройства для контроля прямолинейности

Рис. 10.1. Изображение базовой линии направляющей в координатных плоскостях

Фотоэлектрическое устройство 1, опирающееся на выверяемые направляющие пути при движении вдоль них из-за отклонения отдельных точек этих путей от прямолинейности, смещается относительно опорной линии, задаваемой осветительной системой. Величины этих смещений преобразуются счетно-решающим устройством 2 в электрические сигналы и подаются на регистрирующее устройство 4. Сюда же приходят сигналы от датчика пути 3. Таким образом, на регистрирующих устройствах может быть автоматически зафиксирована непрямолинейность направляющих путей.

К достоинствам метода прямого измерения следует отнести сравнительную простоту конструкции автоматических измерительных средств. Однако по мере удаления датчика от передающего устройства из-за расходимости излучения увеличиваются линейные размеры светового пучка, что служит причиной уменьшения точности регистрации отступлений направляющих путей от прямолинейности в зависимости от расстояния между передающим и приемным устройствами. При работе на открытых площадках на точность измерения существенное влияние может оказывать температурная турбулентность атмосферы, вызывающая хаотическое дрожание референтной опорной прямой.

Блок-схема следящей системы, реализующая принципы прямого метода измерения, приведена на рис. 10.3.

Такая лазерная система автоматического непрерывного контроля позволяет решать ряд инженерно-геодезических задач, в том числе и контроль прямолинейности.

Рис. 10.3. Блок-схема следящей системы:

• 1 — лазер; 2 — модулятор; 3 — коллиматор; 4 — блок питания лазера;
• 5 — генератор модулирующего напряжения; 6 — оптический селектор; 7 — зеркальная призма; 8 — фотоприемник; 9 — усилители; 10 — реверсивный электродвигатель; 11 — координатор; 12 — самописец; 13 — цифровой индикатор

Лазерная система состоит из трех узлов: лазерного излучателя, фотоприем- ного блока и блока обработки информации. В качестве излучателя в приборе применен гелий-неоновый лазер, поток излучения которого специальными оптическими устройствами формирует в пространстве опорную линию.

Следящая система включает в себя фотоэлектрическую приемную головку, направляющие штанги и сервопривод, кинематически связанный с фотоприемной головкой. Фотоэлектрическая приемная головка содержит интерференционный и красный фильтры, анализатор, выполненный в виде светоделительной призмы, и светочувствительные элементы — фотоэлектрические умножители.

При появлении сигнала рассогласования на входе следящей системы из-за смещения светоделительной грани анализатора с энергетической оси светового луча в электрической схеме прибора создается управляющий сигнал, напряжение, амплитуда и полярность которого определяются характером и величиной сдвига фотоприемного устройства относительно луча. Управляющий сигнал, поступая в устройства сервопривода, осуществляет возврат призмы на центр луча. Положение фотоприемного блока относительно центра луча определяется непрерывно и фиксируется самописцами. Такая лазерная система работает в режиме как поиска, так и слежения.

Рис. 10.4. Блок-схема сканирующего лазерного устройства:

• 1 — лазер; 2 — блок питания лазера; 3 — электромагнитный сканер;
• 4 — колеблющееся зеркало; 5 — диафрагма; 6 — фотодиод; 7 — усилитель;
• 8 — блок питания усилителя; 9 — осциллятор

Режим поиска вступает в работу в случае потери луча фотоприемным устройством. Поисковое устройство отыскивает луч и затем включает режим слежения. В указанной лазерной системе применен лазер с мощностью излучения 2 мВт, угловой расходимостью луча после формирующего оптического устройства 20".

Экспериментальные исследования такой системы при благоприятных внешних условиях позволили определить ее точностные характеристики: 2 мм на расстоянии 200 м.

В ряде случаев для контроля прямолинейности ограниченных по протяженности направляющих может быть применено лазерное устройство, в котором референтная опорная прямая формируется сканирующим излучением оптического квантового генератора (рис. 10.4).

В качестве источника излучения в схеме устройства применен гелий- неоновый лазер, возбужденный на низшем поперечном типе колебаний с нормальным распределением энергии в поперечном сечении луча. Луч лазера сканируется по углу в пределах, не превышающих угла его расходимости. Фотоэлектрический детектор, укрепляемый на выверяемой точке направляющей, представляет собой фотоприемник с диафрагмой, диаметр которой значительно меньше диаметра сечения луча.

При смещении диафрагмы вместе с фотоприемником с оси луча в электрическом сигнале, снимаемом с фотоприемника, появляется переменная составляющая с частотой сканирования луча, пропорциональная по амплитуде крутизне кривой распределения энергии по сечению луча в точке расположения диафрагмы. В случае совпадения геометрического центра диафрагмы с осью сканирующего луча сигнал с фотоприемника содержит переменную составляющую с удвоенной частотой сканирования.

Фаза переменной составляющей электрического сигнала при данном способе измерения по отношению к закону сканирования зависит от направления смещения диафрагмы относительно оси луча.

Измерительная схема устройства содержит избирательный усилитель, настроенный на частоту сканирования, и соосное положение диафрагмы относительно оптической оси луча определяется по минимальному сигналу на выходе избирательного усилителя.

При расходимости излучения лазера 2' и мощности излучения 0,2 мВт, частоте сканирования луча 800 Гц и диаметре диафрагмы 0,2 мм на расстояниях до 200 м при помощи указанного устройства в лабораторных условиях была достигнута точность определения положения отдельных точек в 20 мкм.

Точность контроля прямолинейности с применением такого устройства определяется многими факторами, и в первую очередь мощностью лазера, углом сканирования луча, флуктуациями мощности излучения лазера, флуктуациями оптической плотности воздуха на трассе распространения луча и эффективностью подавления второй гармонической составляющей в электрическом тракте. Поэтому достичь высокой точности и значительной производительности измерений при использовании устройств подобного типа на больших протяженностях в условиях открытой площадки представляется затруднительным, т. к. необходимость коллимации потока излучения лазера не всегда может обеспечить приемлемые энергетические соотношения.

Отмечая несомненную перспективность прямого метода измерения прямолинейности, следует указать на то, что в настоящее время пока не создано достаточно эффективных и высокопроизводительных фотоэлектрических автоматических устройств, работающих на вышеуказанных принципах.