Разработка и исследование методов и средств измерения на основе позиционно-чувствительных фотоприёмников

• Автор: Абакшина, Ольга Александровна
• Шифр специальности: 05.11.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 123 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ НА ОСНОВЕ ПОЗИЦИОННОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ФОТОПРИЁМНИКОВ
1Л ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ФОТОПРИЁМНИКИ - КАК СРЕДСТВО ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ УСТРОЙСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ И
УГЛОВЫХ ВЕЛИЧИН
1Л Л Приборы с зарядовой связью (ПЗС - фотоприёмники)
1 Л.2 Фотоприёмники с координатной адресацией
1Л .3 Позиционно-чувствительный фотоприёмник (РБО-фотоприёмник).
1Л .4 Фотоприёмник мультискан
1Л .5 Фотодиод как позиционно-чувствительный фотоприёмник
1.2 СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ, ПОСТРОЕННЫЕ НА ШКАЛАХ
1.2.1 Измерительные устройства на основе оптических шкал
1.2.2 Устройства для измерения радиусов кривизны, построенные на различных шкалах
1.2.3 Устройства для измерения угловых величин, построенные на оптических шкалах
1.3 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И ВЫБОР ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ
1.4 ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯНА ОСНОВЕ ПОЗИЦИОННОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ФОТОПРИЁМНИКА
2.1 УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛИНЕЙНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
2.2 СРЕДСТВО ИЗМЕРЕНИЯ РАДИУСОВ КРИВИЗНЫ
2.2.1 Расчёт погрешности сферометра в случае несовпадения оси измерительного штока с осью выпуклой линзы
2.2.2 Расчёт погрешности сферометра в случае несовпадения оси измерительного
штока с осью вогнутой линзы
2.3 ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА АВТОКОЛЛИМАТОРА

2.4 ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ
ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ, ВЛИЯЮЩИХ НА ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ С ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМИ ФОТОПРИЁМНИКАМИ
3.1 АНАЛИЗ И ВЫБОР МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ С ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМИ
ФОТОПРИЁМНИКАМИ
3.2 ОСОБЕННОСТИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО АППАРАТА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ФОТОПРИЁМНИКОВ
3.3 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ПОГРЕШНОСТЕЙ УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ФОТОПРИЁМНИКОВ
3.4 ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ
ГЛАВА 4. ЭСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ МАКЕТОВ ПРИБОРОВ НА ОСНОВЕ ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ФОТОПРИЁМНИКА МУЛЬТИСКАН
4.1 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МАКЕТА ИНДИКАТОРА
4.2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МАКЕТА СФЕРОМЕТРА
4.3 ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО АВТОКОЛЛИМАТОРА
4.4 ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
Уже в течение длительного времени в приборостроении предпринимаются попытки создания простых средств измерения, способных автоматически измерять величины перемещения объекта и контролировать его геометрические размеры. На сегодняшний день работы в данном направлении пока не привели к созданию достаточно дешёвых и простых средств измерения, которые удовлетворяли бы требованиям машиностроителей и приборостроителей как при работе в условиях различных лабораторий, так и в цеховых условиях.
Значительная часть проблем, возникающих при разработке упомянутых средств измерения, может быть решена при использовании следующих типов фотоприёмников: приборов с зарядовой связью (ПЗС); позиционно-
чувствительных фотоприёмников; фотодиодов.
Данная работа посвящена разработке и исследованию устройств для измерения линейных и угловых величин построенных на основе позиционночувствительных фотоприёмников.
Актуальность темы определяется тем, что в различных областях промышленности, а также науки и техники необходимо контролировать геометрические параметры различных элементов (деталей, сборочных единиц и конструкций), а также величину линейных и угловых перемещений, при этом основной парк средств измерения состоит из приборов для измерения линейных и угловых величин. Поэтому необходимы достаточно простые быстродействующие, надёжные и недорогие приборы, обеспечивающие решение поставленных задач.
Большая часть технических средств, используемых для линейных и угловых измерений, построена на основе линейных шкал или оптических растров. Ввиду этого, в данной работе предложено построить измерительные устройства на основе позиционно-чувствительного фотоприёмника, в этом случае можно

В проведенном анализе характеристик фотоприёмников, были рассмотрены такие важные параметры и характеристики, как быстродействие, нелинейность, дискретность и простота обработки сигнала. Для примера в табл. 1.1 приведены значения основных проанализированных характеристик и параметров фотоприёмников.
Таблица 1.1. Параметры и характеристики фотоприёмников
Типфото- приёмника Длина фоточувстви- тельной площадки Размер пиксе- ля Нели- ней- ность Быстро- действие Дискрет- ность Обработка выходного сигнала
ПЗС- линейка 28 мм 7x7 мкм 0,1% 0,1 -1*10'3 с 8-12 мкм специальная программа
КМОП 28,6 мм 7x7 мкм 1% 1-10*10-3 с 25-50 мкм специальная программа
РББ 37 мм 48x48 мкм 6% 1-10*10-3 с 25-50 мкм специальная программа-
Фотодиод 4x4 мм 1x1 мм >1% 0,03 с 0,05 мм специальная программа
Мульти- скан 18 мм 10 мкм 0,1% 10'5 с 30 мкм сигнал пропорцио- нален перемеще- нию
По результатам анализа характеристик фотоприёмников сделан выбор в пользу фотоприёмника мультискан, позволяющего непосредственно регистрировать положение светового пятна. Этот фотоприёмник обладает теми же возможностями, что и ПЗС-линейка, при большем быстродействии.
Так же при использовании мультискана упростится последующая обработка электрического аналогового сигнала, появляется возможность введения алгоритмической коррекции возникающих погрешностей, накопления и обработки данных с помощью вычислительной техники. Перечисленные преимущества мультискана позволяют выбрать его в качестве приоритетного