Технические науки/12. Автоматизированные системы управления на производстве

Асп. Абакшина О.А., к.т.н. Митрофанов С.С.

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, Россия

Фотоэлектрический автоколлиматор базе приемника Мультискан

Предлагаемый фотоэлектрический автоколлиматор на базе приемника Мультискан позволяет расширить диапазон измерения углов и увеличить быстродействие прибора сохраняя при этом достаточно высокую точность измерений.

Ключевые слова: фотоэлектрические приборы, позиционно-чувствительные приемники.

В течение длительного времени в оптическом приборостроении предпринимаются попытки создания простых и надежных фотоэлектрических устройств, способных автоматически измерять линейные и угловые размеры [1]. Работы в данном направлении не привели пока к созданию достаточно простых и дешевых приборов, которые удовлетворяли бы требованиям машиностроителей при работе в условиях, как лаборатории, так и цеха. Большинство таких устройств построено на приборах с зарядовой связью и оптических растрах, которые требуют применения довольно сложной электронной аппаратуры для обработки измерительного сигнала и имеют ограниченный динамический диапазон.

Существующие серийно производимые автоколлиматоры на основе ПЗС-матрицы отечественных и зарубежных фирм имеют достаточно небольшой диапазон измерений.

Значительная часть проблем, возникающих при разработке аппаратуры такого класса может быть решена при использовании разработанного в РАН позиционно-чувствительного фотоприемника мультискан, позволяющего непосредственно регистрировать положение светового пятна. Данный фотоприемник обладает теми же возможностями, что и ПЗС-строка, при большем быстродействии.

Мультискан является многофункциональным фотоприёмным устройством. Опрос его фоточувствительных элементом — кремниевых фотодиодов — производится при помощи пар встречно включенных коммутационных диодов меньшей площади за счет перемещения вдоль структуры эквипотенциальной линии электрического поля. В процессе сканирования токи со всех приемных элементов постоянно поступают во внешнюю цепь, а информация о пространственном распределении освещенности формируется с учетом весовых коэффициентов, с которыми суммируются фототоки отдельных элементов. Режим коммутации, исключающий накопление заряда на элементных емкостях, обеспечивает регистрацию мгновенного распределения освещенности, при этом выходной сигнал мультискана U_aus связан с линейным перемещением измеряемого объекта x выражением:

где L — длина светочувствительной площадки мультискана, U_о— опорное напряжение, подаваемое на мультискан.

Преимущество этого приёмника заключается в реализации режима непрерывного слежения за текущим значением координаты светового сигнала. Такой режим работы осуществляется за счёт уникальных характеристик фотоприёмника мультискан – высокой разрешающей способности, возможности фильтрации фототоков посторонних засветок превышающих величину полезного сигнала более чем в 1000 раз. Высокая точность метода обусловлена тем, что определяется положение такого устойчивого признака оптического сигнала как его медиана.

Наибольшее влияние на точность измерений оказывают нелинейность и нестабильность мультискана.

Автоколлиматор на основе фотоэлектрического приемника Мультискан позволяет расширить диапазон измерения углов и увеличить быстродействие прибора.

На кафердре КиПОП СПб НИУ ИТМО создан макет автоколлиматора, где в качестве приемного устройства используется позиционно-чувствительный приемник мультискан.

Новизна этого макета заключается в использовании оптической схемы, которая совмещает в себе функцию коллиматора и телескопа, т.е. работает в ползрачка.

Для проведения эксперимента использовались следующие устройства, составляющие лабораторную установку:

- фотоэлектрический автоколлиматор 1 с приемником мультискан 2;

- теодолит 2Т2А на котором закреплено зеркало 3;

- вольтметр прецизионный G1202.010 4.

Целью исследований являлось определить нелинейность и нестабильность мультискана при проведении угловых измерений в диапазоне от 0º до 2º.

Функциональная схема и фотография установки представлены на рис. 1.

251658240

Рис. 1. Функциональная схема и фотография установки

Установка представляет собой фотоэлектрический автоколлиматор 1, где в качестве чувствительного элемента используется мультискан 2. Для проверки характеристик приемника в качестве эталонного средства измерения используется теодолит с установленным на нем зеркалом 3. Теодолит по отношению к исследуемому автоколлиматору имеет метрологический запас. Величина напряжения, снимаемого с выхода мультискана, фиксируется цифровым вольтметром 4.

Для построения графика зависимости угла наклона зеркала от выходного напряжения мультискана – графика нелинейности мультискана (рис. 2) было проведено три серии измерений. Затем в редакторе MS Excel найдено средние значения. И по этим данным построен график нелинейности.

Рис. 2. График нелинейности мультискана

Из графика видно, что зависимость выходного напряжения от угла в диапазоне от 0º до 2º - практически линейна. При этом погрешность измерений углов составила 2,4”, что составляет 0,003% от всего диапазона измерения.

Определение нестабильности мультискана проводилось на этой же установке. Проводилось три серии измерений, показания вольтметра снимались каждые 60 секунд в течение часа. Каждая серия измерений проводилась для нового значения угла задаваемого теодолитом.

Результаты измерений представлены в виде графиков на рис. 3.

Рис. 3. Графики нестабильности мультискана

Исходя из полученных данных и графиков следует, что величина нестабильности не превышает 0,002В.

По данным вышеописанных экспериментов сделаем вывод о целесообразности использовании мультискана в качестве чувствительного элемента при контроле углов.

Благодаря введению мультискана расширился диапазон измерения автоколлиматора.

Существенным преимуществом использования мультискана в автоколлиматорах является высокое быстродействие позволяющее измерять углы в динамическом режиме, малое число элементов конструкции и, следовательно. Высокая надёжность.

Дальнейшие исследования погрешностей и их компенсации в приборах на основе приемника мультискан будут представлены в следующих работах.

Литература:

1. С.М. Латыев. Конструирование точных (оптических) приборов: Учебное пособие. – СПб. Изд-во: Политехника, 2007. – 579 с.

2. Воронин А.А., Митрофанов С.С. Исследование нелинейности позиционно-чувствительного приемника фирмы «Hamamatsu», Известие вузов. Приборостроение, 2007г, Т.50, №4, стр. 47-50.