Плотников В.С. Геодезические приборы

Подождите немного. Документ загружается.

Рис.76. Схемы линзовых компенсаторов

положить второй клин

(рис. 75,6)

таким образом, чтобы

его

главное

сечение было повернуто относительно главного сечения первого клина

на угол 2 а, то луч после отклонения вторым клином пересечет плоскость

в точке

Ъ.

Если углы преломления клиньев равны,

то оа = ab.

Величина

оЪ

2 од-cos

а. При

угле преломления клина

0/2 2оа = Stg0 и оЬ =

S-tg/3-cosa, где S -

расстояние

до

плоскости экрана. Переменный

параллактический угол

может быть получен

из

соотношения

tg у =

tg 0

cos а, а

при малых

у и 0

= 0 cos а.

(9.20)

Следует иметь

виду, что линейная зависимость между

у и 0

может

быть получена лишь

при

ограниченных значениях угла

а.

Значение функ-

ции

cos а

приближается

линейному

при а = 90° ±

2°

30'. В

этом диа-

пазоне углов

погрешность

не

превышает 0,001

у.

Микрометр

подвижными полулинзами. Компенсатор

из

двух полулинз помещается перед объективом зрительной трубы.

При

смещении одной

из

полулинз относительно другой направление лучей

меняется,

что

приводит

раздвоению изображения предмета. Угловое

смещение раздвоенных частей изображения

первом приближении про-

порционально смещению одной полулинзы относительно другой

(рис.

76). На рис.

76,

показано исходное положение системы компен-

сатора

из

объектива

3 и

двух линз: плосковыпуклой

1 и

мениска

Линзы имеют одинаковое фокусное расстояние

представляют собой

афокальную систему

(f[ =

').

исходном положении вершины линз

лежат

на

общей оптической оси,

изображение точки визирования будет

видно

середине поля изображения. Если одну

из

линз компенсатора

сместить перпендикулярно к оптической оси на величину Д, то луч, иду-

щий вдоль оптической оси, отклонится на угол б (рис. 76, б, в), а изобра-

жение точки визирования сместится:

(9.21)

С подвижной полулинзой соединяется шкала для отсчета смещения Д,

а следовательно, параллактического угла е.

В линзовом компенсаторе может осуществляться перемещение

в разные стороны двух половин линз, положительных или отрицатель-

ных, причем линзы могут перемещаться либо независимо одна от другой,

либо одновременно и на одинаковые интервалы (Д

= Д

Независимое смещение двух положительных полулинз в разные

стороны использовано в дальномерной насадке ДНБ-2 системы В.А. Бе-

лицина.

Применяется также перемещение двух жестко соединенных (поло-

жительной и отрицательной) полулинз, расположенных в различных по-

ловинах зрительной трубы (насадка ДНТ).

Линзовый компенсатор с наклоняющейся линзой состо-

ит из двух линз 7 и 2, радиусы которых равны (рис. 76, г). Сложенные

равными радиусами линзы образуют плоскопараллельную пластинку,

или оптический клин. При повороте одной из линз на угол о направление

луча изменится на угол ы, причем ы

(л

—

1)а, где п~ коэффициент

преломления стекла. Недостатком компенсатора является то, что при

п ъ 1,5 а « 2ы, т.е. передаточное отношение равно 2. Это требует высо-

коточного механизма для измерения угла о.

Линзовый компенсатор с наклоняющейся телескопической линзой

(рис.

76, д) может быть применен для измерения небольших углов а,

так как при наклоне телескопической линзы на большие углы Р значи-

тельно возрастают аберрации и усложняется конструкция механизма.

Угол отклонения луча а при повороте линзы на угол Р определяется

по формуле

(Г - 1) t

tg а = : '

где Г

—

угловое увеличение телескопической линзы (см. § 49).

§ 52. Фотоэлектрические отсчегные микроскопы и микрометры

При линейных измерениях с использованием штриховых мер длины

прежде всего необходимо определить положение штрихов. Это можно

делать и визуальными микроскопами. Однако предел разрешения мик-

роскопа, определяемый по известной формуле

0,61 X

при подстановке в нее минимальной длины волны видимого диапазона

(0,4-0,76

мкм) X = 0,4 мкм при максимальном значении его апертуры

а' = 1, составляет 0,24 мкм.

Применение фотоэлектрических микроскопов, в которых проек-

тируемое оптической системой изображение объекта преобразуется в

электрический сигнал фотоприемником, обладающим высокой чувстви-

тельностью, позволяет измерять смещения, значительно меньшие

0,24 мкм. Так, некоторые из фотоэлектрических микроскопов (ФЭМ)

позволяют обнаруживать смещение штриха порядка сотых долей микро-

метра [3].

В фотоэлектрических методах фиксирования положения штрихов

в качестве носителя измерительной информации используется электриче-

ский сигнал на выходе фотоприемника фотоэлектрического микроско-

па. В результате анализа сигнала можно найти середину штриха, которая

наиболее полно характеризует штрих и его положение в плоскости изме-

рения.

Все существующие фотоэлектрические микроскопы делятся на ФЭМ

с модуляцией светового потока и ФЭМ без модуляции светового потока.

Оптическая система любого ФЭМ включает осветительную часть, слу-

жащую для освещения объекта (штриха), и приемную часть с увеличе-

нием /3,, предназначенную для передачи изображения штриха в плоскость

анализа — входную щель фотоприемника. Если в процессе измерения

осуществляется периодическое относительное перемещение объекта

(штриха) и анализатора изображения (щели фотоирисмиика), то такой

ФЭМ является ФЭМ с модуляцией светового потока.

По типу фотопреобразоватсля ФЭМ без модуляции светового потока

делятся на ФЭМ с одним фотоириемииком и ФЭМ с двумя фотоприемни-

ками, включенными дифференциально.

Для рассмотрения принципа работы фотоэлектрического микроско-

па без модуляции светового потока с одним

фотоприемником ограничимся случаем, когда

изображение штриха ]3.)

;

равно ширине вход-

ной щели Ъ фотоприемиика (рис. 77). При

этом в качестве метки используется темный

штрих на светлом фоне.

Процесс передачи информации об изме-

нении положения штриха в ФЭМ без модуля-

ции потока с одним приемником сводится к

следующему. Зависящее от положения одной

из границ штриха распределение яркости в

плоскости объекта преобразуется оптической

системой в распределение освещенности по

участку светочувствительной поверхности фо-

топриемника, ограниченному размерами его

входной щели, т.е. в величину поступающего

на него светового потока. Фотоэлектрический

приемник преобразует этот поток в величину

Рис. 77. Коэффициент увс

л имени я ФЭМ

напряжения U

на сопротивлении нагрузки R

в его выходной цени.

Так, при совпадении границы штриха с правым краем щели (случай

совмещения изображения штриха со щелью) световой поток, поступа-

ющий на приемник, минимален. При этом напряжение на нагрузочном

сопротивлении минимально. В случае, когда эта граница штриха совпа-

дает с левым краем щели, световой поток на фотоприемнике максима-

лен, что соответствует максимальному напряжению в его выходной цепи.

Так как величина напряжения в выходной цепи фотоприемника зависит

от положения щели относительно изображения штриха, базой отсчета

является положение щели фотоприемника.

Одной из причин отсутствия нулевого сигнала с фотоприемника при

нулевом смещении штриха является погрешность типа смещения нуля,

которая возникает в ФЭМ без модуляции светового потока с одним при-

емником вследствие потоков засветок, проникающих через приемную

оптическую систему Ф

и непосредственно через входную щель фотопри-

емника Ф

' а.также в результате смещения базы измерения (смещения

входной щели фотоприемника).

Одним из основных этапов габаритного расчета ФЭМ является вы-

бор линейного увеличения /3 приемной оптической системы. Ниже будет

показано, что изменение величины |3 противоречиво влияет на погреш-

ность типа смещения нуля. Поэтому существует оптимальное значение

0опт>

котором суммарная погрешность типа смещения нуля |Дх|

принимает минимальное значение.

Для нахождения значения Д

опт

получим выражение для суммарной

погрешности типа смешения нуля.

С этой целью определим суммарный световой поток Ф^ на вход-

ной щели фотоприемника в случае, когда граница штриха смещена на

величину х, а смещение базы является максимальным и составляет

тах

(см. рис. 77), где тп - входная щель приемника, т'п » вход-

ная щель приемника при нулевом смещении базы (х

= 0), pq - изобра-

жение штриха [3].

Используя известное выражение для вычисления светового потока Ф

от объекта с яркостью L

, прошедшего через оптическую систему с ко-

эффициентом пропускания т и входной апертурой sin о

As'

„

Ф = -nL т

——sin*

где AS* - площадь изображения, можно записать выражение для сум-

марного светового потока Ф

в виде

т sin

Од (ь - х

шах

(!х)1<

7Т/,

Sin

(

Х(

max

7ТL

sin

я ЦЪИ

(9.22)

в котором

Ъ -

ширина изображения штриха, равная размеру щели;

h -

высота изображения штриха, равная высоте щели;

яркость

штриха;

Ьф -

яркость фона;

—

яркость потока засветки, проника-

ющего через приемную оптическую систему;

' -

яркость потока засвет-

ки,

проникающего непосредственно через входную щель.

Дифференцируя выражение

(9.22) по JC,

получим выражение

для

чувствительности оптического преобразования

</4>£

7TTsln

(^ф-^ш)

(9-23)

Используя

(9.22),

можно найти световой поток, поступающий

на

фотоприемник

случае, когда отсутствуют смещение базы

(х

= 0)

и потоки засветок. Взяв разность потоков

при

наличии смещения базы

и засветок

и при

отсутствии

их,

получим величину изменения потока

ЛФ^,

которая вызывает кажущееся смещение штриха

или

погреш-

ность типа смещения нуля. Выражение

для ДФ^

будет иметь

вид

7Г

sin

7Г

Т sin

Дф

= ~

С'ф - ^шК max

ЬИ. (9.24)

Соответствующее

ему

кажущееся смещение штриха

Дл\.

составит

Дф,.

Д лч-

= —

•

(9.25)

С учетом

(9.23) и (9.24)

выражение

(9.25)

запишется

как

Аху

= + + : . (9.26)

0 /3(Л

-Л

)

rsin

(Ь

- А

)

Обозначая диапазон измеряемых смещений

±Х и

принимая,

что

ширина щели выбирается равной

выражение

(9.26)

можно предста-

вить

виде

*отах 2

XL.,

Ах^

= — + + j . (9.27)

/-ф "

sin

°А

Ф -

Анализ выражения

(9.27)

показывает,

что, с

одной стороны, увели-

чение

ведет

уменьшению ошибки, возникающей из-за смещения

ба-

зы,

а с

другой

- к

увеличению слагаемого погрешности из-за потока

засветки, непосредственно проникающего через щель. Взяв производную

от

Ах± по 0

[выражение

(9.27)] и

приравняв

ее

нулю, получим опти-

мальное значение

01lr

, при

котором погрешность

ДАЧ-

минимальна,

/ *<> max

741

2 а

Л <^ф "

ОПТ

= у/ • (9.28)

Как видно

из

выражений

(9.23) и (9.27),

источником погрешностей

могут являться флуктуации яркостей

Лф и /. ,„ .

Чувствительность

ФЭМ без

модуляции светового потока

колеба-

ниям яркостей

/. ф и /, ,„

может быть уменьшена

за

счет применения

схем сравнения.

этих схемах используют

два

фотоприемиика, вклю-

ченных

по

дифференциальной схеме,

на

которые поступают световые

по-

токи

от

осветителя

по

двум каналам,

т.е.

информация

об

измеряемом

смещении передастся разностью напряжений

на

сопротивлениях, вклю-

ченных

выходные цени этих фотоприсмииков. Типичной конструкцией

ФЭМ этого типа является ФЭМ

со

светодслительной призмой.

Метод получения информации

об

измеряемом смещении штриха

ФЭМ без

модуляции светового потока

обоих случаях

(как с

одним

фотоприемником,

так и с

двумя) является амплитудным,

так как

основан

на

измерении величины постоянного напряжения.

При

этом

по-

лоса пропускания электронных цепей узка,

т.е.

шумы

не

влияют суще-

ственно

на

погрешность измерения.

Возможно

амплитудно-импульсное преобразование, когда отсчет

производится путем сравнения амплитуд импульсов, получаемых

при

сканировании изображения штриха. Примером

ФЭМ,

построенного

на

таком принципе, является микроскоп, предложенный

МИИГАиК

fc.M.

Феклистовым.

Рассмотрим принцип действия

классификацию

ФЭМ с

модуляцией

светового потока.

фотоэлектрических микроскопах этого типа процесс

передачи информации

смещении штриха сводится

следующему.

Зависящее

от

положения штриха распределение яркости

плоскости

объекта преобразуется оптической системой

сканатором

закон

из-

менения освещенности светочувствительной поверхности фотоприем-

ника

во

времени.

При

этом извлечение необходимой информации

из вы-

ходного сигнала фотоприемиика может быть основано

на

двух различ-

ных принципах

[31:

контролируемом смещении судят

по

величине разности четных

нечетных

интервалов времени между пиками последовательных

импульсов:

контролируемом смещении судят

по

изменению сигнала,

в ко-

тором

по

мерс увеличения смещения

возрастает содержание нечетных

гармоник.

Соответственно этим двум принципам передачи информации

ФЭМ

с модуляцией светового потока делят

на два

тина: времяимпульсные

ФЭМ

фотометрические ФЭМ.

Во времяимпульсном

ФЭМ

фотоприемник преобразует закон изме-

нения освещенности

его

светочувствительной поверхности

во

времени

в соответствующую последовательность импульсов напряжения на на-

грузочном сопротивлении. Информация об измеряемом смещении пере-

дается разностью четных Т

и нечетных Т

интервалов между пиками

последовательных импульсов. Очевидно, что при совпадении вертикаль-

ной оси симметрии штриха с положением оси сканирования эта разность

— Т

= 0 и, следовательно, базой отсчета измеряемых смещений мо-

жет служить ось сканирования. Метод является фазовым, так как осно-

ван на преобразовании измеряемого смещения в сдвиги моментов совпа-

дения вертикальной оси сканирующего анализатора изображения со

штрихом относительно определенной фазы периодического закона ска-

нирования с последующим изменением этих сдвигов.

В зависимости от метода измерения разности Т

— Т

строят элект-

ронную схему времяимпульсного ФЭМ.

Существует три основных метода измерения этой разности.

Измерение длительности интервалов времени Т

и Т

по длитель-

ности стандартных импульсов.

2. Счет импульсов заполнения в течение интервалов Т

и 7J, в счет-

чиках импульсов.

3. Измерение расстояния между изображениями четных и нечетных

импульсов на экране осциллографа.

Примером времяимпульсного фотоэлектрического устройства явля-

ется двойной ФЭМ для компарирования штриховых мер длины, разрабо-

танный во Всесоюзном научно-исследовательском институте метроло-

гии [3].

Схема двойного ФЭМ приведена на рис. 78.

Световой поток от источника света 4 разделяется призмой 6 на

две части и затем по двум каналам через призмы 5 и 5' и объективы 7

и 7' попадает на поверхности сличаемых шкал Ш1 и И12.

Изображения штрихов шкал про-

ектируются в плоскости щелей 1

и 1', за которым расположены

фотоэлементы 2 и 2'. Зеркала 3 и 3'

укреплены под углом 45° друг от

друга и осуществляют сканирование

за счет их колебательного движения

относительно общей оси.

В каждом из каналов на выходе

фотоэлементов возникают импуль-

сы в момент прохождения изобра-

жения штриха через щель. Эти им-

пульсы после усиления подаются в

специальный блок отбора импульсов,

который пропускает на вход тригге-

ра импульсы из обоих каналов толь-

ко при каком-либо одном направле-

нии сканирующего движения. Про-

вис.

78.

Схема двойного микроскопа

пущенные блоком отбора импульсы

отпирают и запирают триггер. При этом триггер вырабатывает импульсы,

длительности которых равны временному интервалу между очередной

парой импульсов, поступивших на вход из первого и второго каналов.

Этот временной интервал пропорционален измеряемой разности.

С триггером связан дискриминатор, который отпирается на время,

равное длительности вырабатываемого триггером импульса. При этом

дискриминатор пропускает импульсы с частотой Д от генератора к

счетчику импульсов. Счетчик подсчитывает поступившие на его вход

импульсы за несколько периодов сканирования. При этом величина

смещения определяется по формуле

Д / = yN

где N

—

число импульсов заполнения; 7

—

цена одного импульса в ли-

нейной мере, прямо пропорциональная коэффициенту преобразования

оптической и электронной частей ФЭМ и обратно пропорциональная

частоте импульсов заполнения Д.

В фотометрическом ФЭМ с модуляцией светового потока фотопри-

емник преобразует закон изменения освещенности его светочувствитель-

ной поверхности в аналогичный закон изменения напряжения на сопро-

тивлении нагрузки. При этом информация об измеряемом смещении

содержится в спектральном составе этого напряжения. В случае идеаль-

но симметричного штриха при совпадении его вертикальной оси с осью

сканирования форма кривой распределения освещенности одинакова

в течение обоих полупериодов сканирования и спектр напряжения на

нагрузке фотоприемника содержит только четные гармонические состав-

ляющие. При смещении вертикальной оси штриха относительно оси

сканирования форма кривой распределения освещенности на светочув-

ствительной поверхности приемника различна в первом и втором полу-

периодах сканирования, при этом в спектре появляются нечетные гармо-

нические составляющие, уровень которых и служит мерой измеряемого

смещения штриха.

Метод измерения является амплитудным, однако в отличие от фото-

метрического ФЭМ без модуляции светового потока нулю измеряемого

смещения соответствует нулевой уровень напряжения нечетных гар-

моник.

Приведем сравнительную характеристику различных типов ФЭМ.

Наиболее простыми являются ФЭМ без модуляции светового потока

с одним фотоприемником. Однако, работая по принципу амплитудного

измерения, когда нулевому измеряемому смещению соответствует

ненулевой уровень сигнала, они очень чувствительны к отклонениям от

номинальных значений всех параметров, влияющих на уровень выход-

ного сигнала. Кроме того, существенный вклад в погрешность измере-

ний вносит неравномерность чувствительности отдельных участков све-

точувствительного слоя фотоприемника.

В ФЭМ без модуляции светового потока с двумя фотоприемника-

ми практически невозможно избежать погрешностей, связанных с нетож-

дественностью этих фотоприемников. Поэтому ФЭМ без модуляции

светового потока и с одним фотоприемником, и с двумя наименее точ-

ны.

Предел измерения, выраженный в относительных единицах (отно-

шение участка визируемой шкалы, в границах которого существует одно-

значная зависимость выходного сигнала от смещения штриха, к размеру

штриха), для ФЭМ без модуляции светового потока составляет 2-4 ед.

Времяимпульсные ФЭМ свободны от недостатков, присущих ФЭМ

без модуляции светового потока. Однако они представляют собой ши-

рокополосные устройства, поэтому неустранимым источником погреш-

ности являются шумы. Кроме того, источником погрешности может

быть нестабильность оси сканирования сканатора. В [3] показано, что

суммарная погрешность, обусловленная этими двумя причинами, может

быть снижена только до уровня КГ

мкм. Предел измерения времяим-

пульсных ФЭМ составляет 20- 100 ед.

Фотометрические ФЭМ с модуляцией светового потока, имеющие

нулевой уровень нечетных гармоник при нулевом смещении, менее

чувствительны к отклонениям от номинальных значений различных

параметров. Кроме того, обработка выходного сигнала осуществляется

сравнительно узкополосной аппаратурой, пропускающей всего две-три

наиболее низкие нечетные гармонические составляющие, поэтому они

менее чувствительны и к влиянию шумов. Кроме того, в них отсутству-

ют погрешности, обусловленные неравномерностью чувствительности

светочувствительной поверхности фотоприемника. Поэтому они наибо-

лее точны. Однако их предел измерения составляет 2-3 ед.

В связи с тем, что фотометрические ФЭМ с модуляцией и без моду-

ляции светового потока имеют на порядок меньший предел измерения

по сравнению с времяимпульсными ФЭМ, их используют в основном

в качестве нулевых отсчетных устройств. При этом погрешность ФЭМ

без модуляции светового потока составляет порядка 1 мкм, а ФЭМ

фотометрических с модуляцией светового потока - около сотых долей

микрометра.

Времяимпульсные ФЭМ позволяют производить отсчеты положения

штриха, а также измерять расстояние между штрихами. При этом по-

грешность времяимпульсных ФЭМ составляет около 0,1 мкм.

§ 53. Кодовые отсчетные системы и устройства

В настоящее время в геодезических измерительных приборах широко

применяются системы автоматической регистрации угловых и линейных

величин, построение которых основано на использовании датчиков угло-

вых и линейных перемещений.

По своему принципу действия датчики угловых и линейных переме-

щений являются преобразователями непрерывной входной величины

в дискретную выходную величину или аналого-цифровыми преобразова-

телями.

Входными величинами такого датчика могут быть линейное или

угловое перемещения, а также пространственное положение какого-

либо объекта. В процессе преобразования входной величины в выход-

ную в датчике осуществляются две операции — квантование и кодиро-

вание. При квантовании непрерывная измеряемая величина представ-

ляется набором дискретных уровней, а в результате кодирования этому

уровню квантования ставится в соответствие конкретная система симво-

лов или код, т.е. набор цифр, составленный по определенному закону

и обозначающий число.

Таким образом, выходной величиной датчика является числовой

эквивалент измеряемой непрерывной величины. Так как при непрерыв-

но-дискретном преобразовании результат измерения представляется

в цифровой форме, датчики угловых и линейных перемещений являются

по существу преобразователями "перемещение-цифра".

Рассмотрим основные характеристики преобразователей простран-

ственных перемещений в цифровой код.

Основными характеристиками преобразователей "перемещение-

цифра" являются:

Форма представления входных и выходных величин. В качестве

выходных величин преобразователи могут использовать различные

виды цифровых кодов. Наибольшее распространение получили двоич-

ные,

десятичные и двоично-десятичные коды. Иногда используются коды

специальных видов - циклические. Выбор кода зависит от назначения

преобразователя. Если он осуществляет выход на цифровую индикацию,

используемую человеком, то используется привычный для человека де-

сятичный код. В случае же, когда выход преобразователя сопряжен со

входом управляющей ЭВМ, используется код этой ЭВМ.

2. Диапазон изменения входной величины х, равный разности ее

максимального и минимального значений (x

max

- *

in)> и диапазон

изменения выходной величины.

3. Предел разрешения преобразователя А>р - приращение входной

величины, соответствующее изменению выходного кода на единицу

младшего разряда,

'max ~ 'min

где N - число дискретных уровней квантования.

4. Ошибка квантования - разность полученного дискретного значе-

ния и непрерывного в момент образования дискретной величины.

5. Быстродействие - время одного преобразования непрерывной

величины в цифровой код.

6. Максимальная скорость изменения входной величины. Для датчи-

ка "вал-цифра" (угол-код) - максимальная угловая скорость вала

(рад/с; градус/с).

7. Надежность - характеризуется вероятностью безотказной работы

преобразователя при сохранении заданных технических характеристик

преобразования.

Существует три основных метода получения числового эквивалента

измеряемой непрерывной величины - метод последовательного счета,

метод считывания и метод сравнения и вычитания. Однако в преобразо-

14 - B.C. Плотников