Принципы построения современных позиционных лазерных измерительных систем и их аппаратно-программное обеспечение

Размещено на http://www.allbest.ru/

Принципы построения современных позиционных лазерных измерительных систем и их аппаратно-программное обеспечение

Сиротский Алексей Александрович,

соискатель Московского государственного технического

университета «МАМИ»

Лазерные измерительные системы (ЛИС) весьма перспективны, они свободны от большинства недостатков, присущих иным методам контроля. Прежде всего, они не подвержены влиянию электромагнитных помех и наводок, легко встраиваются в действующие технологические процессы. При этом важнейшей составляющей участка контроля являются средства компьютеризации и автоматизации, обеспечивающие гибкость контроля и взаимодействие со смежными системами управления.

Все существующие ЛИС по физическим принципам действия можно подразделить на три вида: интерферометрические ЛИС (ИЛИС), частотные (ЧЛИС) и позиционные амплитудные ЛИС (ПЛИС, они же - координатные - КЛИС).

Наиболее распространены ИЛИС, но при всех положительных качествах ИЛИС, стоимость одной такой системы, в зависимости от вида, назначения, комплектации, достигает несколько сотен тысяч долларов. Такая высокая цена обусловлена высокой стоимостью её составляющих элементов, среди которых сложные и дорогостоящие оптические детали и лазер.

Наиболее перспективными и экономически выгодными являются ПЛИС, одним из основных преимуществ ПЛИС является возможность с их помощью создавать технологические базы отсчёта, легко перестраиваемые в пространстве практически на любых расстояниях: от десятых долей метра, до десятков и сотен метров длины. В ПЛИС реализуется прямой метод преобразования перемещений в электрический сигнал. Однако существовавшие до настоящего времени ПЛИС не получили широкого применения из-за их высокой погрешности измерения, обусловленной нестабильностью поперечной диаграммы направленности лазерного излучения (ДНЛ) - нестабильностью положения энергетического центра лазерного зонда и амплитудными флуктуациями излучения лазеров.

Исследования, выполненные автором за последние годы, позволили решить задачу создания современных и недорогих высокоточных ПЛИС. Снижение погрешности достигается, во-первых, стабилизацией ДНЛ, что привело к созданию ЛИС с двумя оптически обращёнными каналами - ЛИС ДОК, и, во-вторых, компенсацией амплитудных флуктуаций лазерного излучения, что привело к созданию ЛИС с системой «отражённого луча» - ЛИС СОЛ.

В ЛИС ДОК вводится второй канал, оптически обращённый на 180? относительно основного канала измерения. В ЛИС СОЛ производится непрерывное измерение интенсивности лазерного излучения, отражённого от основного координатного позиционно-чувствительного фотоприёмника (ПЧФ), расположенного под углом к направлению падения лазерного луча. Возможно также создание комбинированных систем - ЛИС ДОК СОЛ.

Два оптически обращённых канала (ДОК) могут быть сформированы двумя основными способами, подразумевающими их существование в виде одного совмещённого (объединённого) луча, либо в виде двух раздельных лучей. При этом для первого типа формирования ДОК характерно использование в системе одного ПЧФ, а для второго типа - двух.

Принцип формирования ДОК с объединённым лучом показан на рис. 1. Входящий луч 1 попадает на кубик 2 и разделяется на два луча одинаковой мощности, один из которых - прямой (необращённый) луч 3, второй - отраженный от светоделительной грани кубика 2 попадает на отражатель 5, проходит через оборачивающую систему 7, в которой он оборачивается на 180? относительно своей оси, далее отражается от отражателя 9 и попадает на объединительный кубик 11. Таким образом, на кубик 11 попадают два луча: прямой 3 и обращённый 10. В кубике 11 оба луча совмещаются относительно их энергетических центров и из оптической системы выходит стабилизированный луч 12.

Рис. 1. Принцип формирования двух оптически обращённых каналов с объединённым лучом

1 - входящий луч, 2 - разделяющий кубик, 3 - прямой луч, 4, 6, 8, 10 - обращённый луч, 5, 9 - отражатели, 7 - оборачивающая система, 11 - объединительный кубик, 12 - выходящий луч (два канала), 13 - ПЧФ, 14 - блок формирования ДОК с совмещённым лучом (как конструктивный модуль систем ЛИС ДОК)

Принцип формирования ДОК лазерного излучения с разделёнными лучами показан на рис. 2. Входящий луч 1 попадает на разделяющий кубик 2 и разделяется на два луча одинаковой мощности, один из которых - прямой (необращённый) луч 3, второй - отраженный от светоделительной грани кубика 2 попадает на отражатель 5, проходит через оборачивающую систему 7, в которой он оборачивается на 180? относительно своей оси. Далее прямой луч 3 и обращённый луч 8 существуют самостоятельно и параллельно, и каждый из них направляется на свой ПЧФ 9 и 10 соответственно.

Рис. 2. Принцип формирования двух оптически обращённых каналов с раздельными лучами

1 - входящий луч, 2 - разделяющий кубик, 3 - прямой луч, 4, 6, 8, - обращённый луч, 5, - отражатель, 7 - оборачивающая система, 9 - ПЧФ прямого канала, 10 - ПЧФ обращённого канала, 11 - блок формирования ДОК с разделёнными лучами (как конструктивный модуль систем ЛИС ДОК)

Таким образом, можно определить два типа ЛИС ДОК: с объединёнными каналами (ЛИС ДОК ОК) и с разделёнными каналами (ЛИС ДОК РК), в обоих случаях флуктуации энергетических центров лучей находятся в противофазе и взаимно компенсируются. При этом не важно, чем вызваны флуктуации энергетической оси до блока формирования ДОК - как нестабильностью поперечной ДНЛ самого лазерного излучателя, так и воздействием внешних факторов.

В настоящее время создана развёрнутая классификация ЛИС ДОК, созданы конструктивные блоки и модули, разработаны типовые конструктивные схемы ЛИС ДОК для различных областей применения и задач контроля.

Рис. 3. Функциональная схема ЛИС ДОК для контроля положения осей отверстий

Пример функциональной схемы ЛИС ДОК для контроля прямолинейности оси отверстия в деталях типа «труба» показан на рис. 3. ЛИС ДОК состоит из жесткого основания 1, на котором на опорах 2 устанавливается деталь 3, привод 4 перемещения первичного измерительного преобразователя (ПИП) 5 с отражателем 6. При движении ПИП 5 вдоль трассы контроля, он в каждом текущем сечении центрируется, занимая при этом положение по центру отверстия в текущем сечении. Источником излучения служит лазер 8, а формирование ДОК происходит в блоке 7. ПЧФ 9 и 10 регистрируют перемещения, пропорциональные смещениям лазерного зонда. Сигналы с ПЧФ усиливаются по координатам X и Y усилителями 11, 12, 13, 14 и поступают в ЭВМ 15, оснащённую системой сбора, регистрации, обработки информации и управления на основе аналогово-цифрового сигнального процессора ADSP. Измерения проводятся в M сечениях с некоторым заданным шагом перемещения привода 4. В каждом сечении M_i фиксируются напряжения Ux1_i, Uy1_i, и Ux2_i, Uy2_i, снимаемые с выходов ПЧФ. Величины измеренных напряжений записываются в памяти ЭВМ в цифровой форме в виде таблицы. Таким образом, необходима реализация четырёхканальной системы сбора и регистрации информации.

Кроме нестабильности ДНЛ в ПЛИС проявляется амплитудная нестабильность интенсивности лазерного излучения, влияющая на точность измерений. Можно указать, по крайней мере, три важных фактора, дающих наиболее существенный вклад в величину возникающей погрешности.

Первый фактор заключается в том, что лазерный луч на выходе лазера может иметь собственные нестабильности интенсивности излучения во времени за счёт нестабильности питающих напряжений лазера, при прогреве лазера, или в результате деструктивных явлений в конструкции лазера.

Второй фактор заключается в том, что лазерный луч обладает затуханием и его интенсивность уменьшается за счёт поглощения средой распространения при удалении от источника, а также за счёт частичного рассеяния на неоднородностях среды распространения.

Третий фактор заключается в том, что между излучателем и ПЧФ, установленным оптически противоположно апертуре лазера и перпендикулярно лазерному лучу, могут возникать амплитудно-фазовые искажения (флуктуации) излучения, т.к. поверхности апертуры и ПЧФ в данном случае частично выполняют роль дополнительного внешнего оптического резонатора.

Таким образом, при использовании чувствительных к амплитудной модуляции ПЧФ, в ПЛИС возможно возникновение погрешностей за счёт указанных выше причин, вызывающих флуктуации интенсивности излучения лазерного зонда, падающего на поверхность ПЧФ.

Рассмотрим расположение пятна - лазерного зонда (ЛЗ) на поверхности ПЧФ (рис. 4). Данный анализ влияния интенсивности излучения применим как к традиционным ПЛИС, так и к ЛИС ДОК. Пусть результирующий лазерный луч, направленный на ПЧФ с геометрическим центром в точке О, имеет энергетический центр в точке Е с радиус-вектором и координатами на поверхности ПЧФ X_E и Y_E. При этом напряжения на выходах ПЧФ в фиксированный момент времени принимают следующие значения:

(1)

(2)

где: I_S - текущее значение уровня интенсивности излучения ЛЗ;

S - координатная чувствительность ПЧФ по осям X и Y, соответствующая единичному световому потоку излучения;

F - мощность ЛЗ (или мощность совмещённого ЛЗ для ЛИС ДОК).

Тогда результирующий модуль напряжения на выходе ПЧФ составит:

(3)

Отсюда можно сделать вывод о том, что при постоянных S и F модуль напряжения на выходе ПЧФ зависит как от величины , т.е. от координат положения энергетического центра Е, так и от интенсивности излучения ЛЗ I_S. Полупроводниковый ПЧФ является не только координатно-чувствительным, но и амплитудно-чувствительным первичным измерительным преобразователем (ПИП).

Рис. 4. Лазерный зонд на поверхности ПЧФ

Следовательно, при регистрации на выходе ПЧФ некоторого модуля напряжения , радиус-вектор положения энергетического центра ЛЗ должен определяться с учетом текущего значения интенсивности излучения ЛЗ из выражения:

(4)

Если в системе нет обратной связи по интенсивности излучения, и текущее значение интенсивности излучения I_S не измеряется, то интенсивность излучения ЛЗ считается постоянной и равной некоторому принятому значению I₀. В этом случае, при регистрации на выходе ПЧФ такого же модуля напряжения , радиус-вектор положения энергетического центра ЛЗ будет определяться как:

(5)

Это означает, что без учёта текущего значения интенсивности излучения, вместо регистрации действительного радиус-вектора положения энергетического центра ЛЗ , будет определяться некоторый мнимый радиус-вектор . Таким образом, абсолютная ошибка измерений составит:

(6)

Относительная ошибка измерений составит:

(7)

Повысить точность измерений и снизить возникающие погрешности возможно введением обратной связи по интенсивности излучения, падающего на поверхность ПЧФ, конструктивно выражающейся в организации дополнительных измерений с коррекцией основных результатов измерений в ЭВМ. При использовании непрерывных дополнительных измерений интенсивности лазерного излучения, падающего на поверхность ПЧФ, будет достигнуто повышение точности, стабильности и помехоустойчивости ЛИС.

На рис. 5 показана структурная схема ЛИС СОЛ, состоящая из лазера 1, объекта измерения 3, измерительного ПЧФ 4 (например, установленного на объекте, перемещения которого измеряются), дополнительного опорного фотоприёмника (ФП) 6, предназначенного для регистрации текущей интенсивности излучения, усилителей 7 и 9, АЦП 8 и 10 и ЭВМ 11. Лазерный луч 2, выходящий из лазера 1, направляется на ПЧФ 4, который расположен под некоторым непрямым углом по отношению к падающему на него лучу 2. От поверхности ПЧФ 4 луч отражается, и отражённый луч 5 направляется на ФП 6, который регистрирует текущую интенсивность излучения в каждый момент времени. Через усилитель 7 и АЦП 8 в ЭВМ 11 поступает информация с измерительного канала с ПЧФ 4 о текущем положении объекта измерения. Через усилитель 9 и АЦП 10 в ЭВМ 11 в каждый момент времени поступает информация с ФП 6, который регистрирует интенсивность лазерного луча 5. Таким образом, организован дополнительный измерительный канал по интенсивности излучения. Оптическая система 12 состоит из цилиндрических линз, сужающих или расширяющих пучок излучения только по одной координате. При этом выходящий из оптической системы 12 лазерный луч будет иметь эллипсообразное сечение, а световое пятно на поверхности ПЧФ 4 будет получаться круглым, т.к. луч лазера направляется на поверхность ПЧФ 4 под непрямым углом.

На предложенный способ построения ЛИС СОЛ получен патент РФ (№2196300) как на фотоэлектрический способ измерения механических перемещений. Данный способ применим как к классической ПЛИС, так и к ЛИС ДОК.

Система отражённого луча (СОЛ) позволяет также избежать попадания части излучения обратно в излучатель, т.к. ПЧФ располагается под непрямым углом относительно падающего на него луча, и, соответственно, отражённый луч не может попасть обратно в излучатель и привести к дополнительным амплитудно-фазовым искажениям. Отражённый луч направляется на дополнительный ФП обратной связи по интенсивности излучения. Таким образом, СОЛ позволяет: организовать дополнительные измерения интенсивности собственного излучения лазерного генератора с целью коррекции результатов основных измерений; учитывать флуктуации лазерного луча, возникающие в воздушном тракте его прохождения; учитывать затухание лазерного луча на протяжённых трассах контроля; исключить обратный ход лазерного луча обратно в излучатель во всём диапазоне измерений, а следовательно, исключаются спонтанные изменения частоты и фазы лазерного излучения во времени и возможные амплитудно-фазовые искажения.

Рис. 5. Система отражённого луча

В современных системах также должны быть решены вопросы автоматизации процесса измерений. Для этого лучше всего подходят так называемые PCNC-системы - системы автоматизации на базе персональных ЭВМ (Personal Computer Numerical Control).

В качестве устройства ввода сигналов целесообразно применять специализированные модули «DAQboards» (Data Acquisition Boards - Модули сбора данных), например, автором использовался модуль PCI-1202H фирмы ICP DAS.

Задача автоматизированного сбора, хранения и визуализации информации успешно решена, написано программное обеспечение с применением среды LabView фирмы National Instruments на языке графического программирования G (Джей).

Программное обеспечение (ПО) имеет многомодульный интерфейс. Основными программными модулями являются: инструмент регистрации и отображения, инструмент управления, инструмент интерфейса связи, инструмент интеллектуального управления. Формат представления информации позволяет интегрировать данную систему с любыми программными средствами математических расчётов и моделирования процессов.

ПО предназначено для снятия показаний по четырем дифференциальным каналам с датчиков ПЧФ. Основными требованиями к ПО являются: наглядность, простота работы, возможность наблюдать измерения в интерактивном режиме, возможность корректировать любые настройки сканирования в процессе измерения, возможность сохранять данные в формате, удобным для последующей работы с ними и дальнейшей обработки, в том числе для передачи в другие программные приложения. Алгоритм разработанного ПО, позволяющего выполнять все поставленные задачи, показан на рис. 6. Окно разработанной программы показано на рис. 7.

Файл данных сохраняется в обычном текстовом формате, что позволяет не только легко его импортировать/экспортировать в различные программные приложения, но и просматривать легко доступными средствами. Структура файла данных - построчная, с записью измерений в виде десятичных значений, раздёлённых пробелами или табуляторами. Пример файла данных на 10 точек измерений по четырём каналам показан на рис. 8.

Измерительная информация является легко доступной, легко обрабатываемой и может быть легко экспортируема для обработки в любую программную среду, в том числе MathCAD, Excel.

Для целей обработки и визуализации результатов измерений разработано математическое обеспечение в среде MathCAD, которое позволяет воспроизвести пространственное положение оси отверстия (рис. 9), которую невозможно увидеть иными способами, отличными от математического моделирования.

Рис. 6. Алгоритм программы

Рис. 7. Окно программы

1 - элементы управления программой, 2 - графики он-лайн отображения измерений, 3 - поле просмотра числовых массивов измеренных значений

лазерный измерительный оптический автоматизация

Рис. 8. Структура файла данных

Рис. 9. Визуальная 3D-модель отверстия с воспроизведением пространственного положения оси

Отличительной особенностью созданной системы обработки данных является её самодостаточность: при использовании не требуется никакой коррекции алгоритма обработки - он универсален для всех случаев, ограничением являются только ресурсы ЭВМ. Апробация разработанной методики обработки данных и визуализации показала надёжную и адекватную обработку данных из массива 30000 элементов. Разработанная информационно-измерительная система отвечает высоким современным требованиям, обеспечивает гибкость и точность измерений до 1 мкм, и может быть гармонично интегрирована в современные АСУ ТП.

Литература

1. Сиротский А.А. Контроль отливок автоматизированными лазерными измерительными системами. // «Литейщик России» №7-8, 2002 г., с. 27-29.

2. Веденов В.М., Сиротский А.А. Фотоэлектрический способ измерения механических перемещений. Патент РФ №2196300. Опубл. 10.01.2003, Бюллетень №1.

3. PCI-1202 Software Manual for Windows 98/NT/2K/XP. Фирма ICP DAS, Version 2.03, 17 Oct., 2003, 70 с.

4. PCI-1202/1602/1800/1802 Hardware User's Manual. Фирма ICP DAS, Version 3.6, JAN 2005, PPH-014-36, 100 с.

Размещено на Allbest.ru