Измерительный контроль (стр. 7 из 13)

Процесс функционирования устройства контроля плоскостности сопровождается погрешностями (потерей информации), которые определяют точность измерения. Погрешность измерения обусловлена потерей информации, возникающими до преобразования входного сигнала в приборе, непосредственно в процессе преобразования и при регистрации (обработке) результатов.

Погрешности из-за потери информации до преобразования ее в приборе, а также при регистрации и обработке, называют методическими погрешностями.

Погрешности, обусловленные потерей информации в самом устройстве называют инструментальными погрешностями.

(23)

6.1 Методические погрешности

Методические погрешности обусловлены ошибочностью или недостаточностью разработки принятой теории метода функционирования прибора в целом, допущениями в отношении объекта сигнала или канала прохождения сигнала и т.п. Измерительный процесс, выполняемый с помощью лазерного излучения, на котором основан принцип работы устройства имеет большую пространственную протяженность, поэтому в цеховых условиях не представляется возможность создать пространственно стабильные, однородные и изотропные температурные, световые и другие условия для обеспечения оптимальной работы лазерных измерительных систем.

На точность работы с помощью лазерного излучения большое влияние оказывают воздушный тракт и среда, разделяющие лазерный излучатель и координатный фотоприемник.

В результате теоретических и экспериментальных исследований [6] установлена степень влияния воздушной среды на точность измерений с помощью лазерного излучения, определены основные погрешности, вносимые воздушным трактом в процессе измерения.

Лазерное излучение, распространяющееся в неоднородной воздушной среде, претерпевает ряд изменений под влиянием различных факторов. Основные из них изменений можно разделить на следующие группы:

- Ослабление излучения, происходящего за счет поглощения и рассеивания энергии;

- Рефракция лазерного луча за счет изменения средней величины коэффициента преломления среды по длине воздушного тракта;

- Случайной рассеивание излучения, обусловленное флуктуациями показателя преломления среды.

(24)

6.1.1 Ослабление излучения лазерного диода в воздушном тракте и его влияние на точность работы измерительной системы

При расчетах поглощений лазерного излучения необходимо с высокой точностью знать положение центров линий поглощения и линии излучения лазерного диода. Для выбранного нами диода, работающего на длинах волн 0,65 нм, нет ближних линий поглощения атмосферных газов, поэтому поглощение излучения воздушным трактом на этой длине волны будет незначительным.

В атмосфере производственных помещений находится всегда определенное количество пыли, частиц дыма, испарения, размеры которых могут быть значительно больше длины волны.

Учитывая, что длина воздушного тракта не превышает 100 метров, влиянием ослабления излучения можно пренебречь.

6.1.2 Рефракция лазерного луча

Влияние рефракции на траекторию лазерного луча (l=0.65 нм) аналогично влиянию на белый световой луч и имеет сезонную и суточную периодичность.

Погрешность от регулярных рефракций определяется зависимостью:

(25)

где

-коэффициент земной рефракции (0,14);

-длина воздушного тракта (17м);

-земной радиус (6380 км).

В цеховых помещениях заводов температурный градиент достигает 0,1…0,2˚С/ м и более. При этих условиях рефракция достигает ± 0,003… ± 0,006 мм при длине воздушного тракта до 17 метров.

Погрешности от рефракции лазерного луча можно отнести к систематическим, если их рассматривать для одной конкретной схемы контроля изделий. С изменением схемы контроля, при которой изменяется угол между направлением лазерного луча и градиентом показателя преломления среды, эту погрешность следует оценивать как случайную.

6.1.3 Погрешности центрирования от флуктуации показателя преломления воздушного тракта

Флуктуация тепловых неоднородностей в воздушном тракте являются причиной дрожания луча.

Луч лазерного диода, упавший на какой- либо элемент s1 неоднородности, отклоняется на малый угол δφ1 и попадает на элемент s2, который, в свою очередь отклоняет луч на элементарный угол δφ2 и т.д. В результате прохождения луча через толщу неоднородностей он претерпевает n случайных независимых процессов отклонения от n неоднородностей. Для анализа суммарного эффекта таких процессов применяют статистические методы.

Среднеквадратическая погрешность смещения реперной оси лазерного луча от действия неоднородностей турбулентного тракта принимает вид:

(26)

где ∆t – изменение температуры воздушного тракта (в цеховых помещениях от 0,01 до 0,1˚С);

t- температура в цехе ( для средней полосы от 10˚С до 27˚С);

l- длина воздушного тракта.

(27)

Подставляя значение (26) и (28) в выражение (25) получаем

0.003 мм

6.2 Инструментальные погрешности

Инструментальные погрешности подразделяются на теоретические, технологические и эксплуатационные.

В данном случае к инструментальным погрешностям относятся отклонения от расчетных значений характеристик деталей и погрешности электронного измерительного канала.

К инструментальным погрешностям значений характеристик деталей относится:

· Показатели преломления;

· Модуль упругости;

· Коэффициент линейного расширения.

Погрешности размеров и форм деталей:

· Погрешность радиусов кривизны (0.003мм);

· Погрешности формы рабочих поверхностей линз (0.001).

Погрешность расположения и деформации деталей:

· Децентрировка линз (0.001 мм);

· Деформация линз (0.003мм);

· Погрешность значений воздушных промежутков (0.01 мм).

Погрешность от поворота пентапризмы:

Погрешностью поворачивающейся пентапризмы является отклонение проходящего через него пучка лучей. Наклоны пентапризмы происходят из-за зазоров направляющих вращение призмы.

Рассмотрим возможные наклоны призмы относительно осей декартовой системы координат.

рис.20. Наклоны призмы относительно осей декартовой системы координат.

Наклон вокруг оси Х не влияет на положение проходящего через призму луча, благодаря инвариантному свойству призмы в главном сечении.

Наклон вокруг оси У не вносит погрешность, т.к. в этом направлении не происходит измерение.

Наклон вокруг оси Z (ось визирования) вносит погрешность измерения, которые относятся к разряду косинусной погрешности.

Оценим величину этой погрешности для габаритов нашей системы.

Угол наклона призмы определяется по формуле (28).

(28)

Где α – угол наклона призмы;

- величина зазора в направляющих (0.005 мм);

L – расстояние между подшипниками направляющих(80мм).

6,25·10-5

Определим величину погрешности в относительных величинах

(29)

0.001мм

Таким образом, погрешность от наклона призмы не превышает 0,1% от измеренной величины.

Эксплуатационные погрешности:

· Погрешность чувствительности приемника (0.003 мм);

· Погрешность излучательной способности (0.009мм);

· Погрешность отсчета (электронная обработка 0.0001 мм).

Погрешности электронного измерительного канала.

Погрешности электронного тракта являются инструментальными погрешностями, но с другой стороны они разделяются на случайные и систематические.

Систематические погрешности при достаточном уровне исследования могут быть скомпенсированы и учтены и входят в состав дополнительной ошибки.

Случайные погрешности не могут быть скомпенсированы и учтены, и входят в основную ошибку прибора.

Проведем анализ составляющих погрешностей звеньев схемы обработки сигнала, а затем уточним их величину и возможность компенсации систематических составляющих.

Первым звеном электронной системы обработки сигнала является измерительный преобразователь — фотодиод и именно он определяет возможный динамический диапазон этой системы.

Фотодиод, как источник ошибок измерения, можно охарактеризовать уровнем темнового тока, температурным коэффициентом абсолютной чувствительности фотодиода, уровнем шумового тока и восприимчивостью к электромагнитным помехам внешних источников. Безусловно не надо забывать и о зависимости относительной спектральной чувствительности от температуры. Однако эти температурные вариации существенны в основном на краях рабочего спектрального интервала приемника излучения. При выборе приемника излучения стремимся к обеспечению возможности работы приемника в области максимальной чувствительности, а, следовательно, и вдали от красной и синей границ его спектрального диапазона.