Матричная технология
линейно-угловых измерений
В обычных линейно-угловых приборах мерой измеряемой величины служат, как правило, интервалы между делениями шкалы. Деления выполняются обычно в виде штрихов, а измеряемая величина соответствует разности координат между начальным и конечным штрихами. Со времен Декарта измерения проводятся «от точки до точки», «от узелка до узелка», «от штриха до штриха». Точность измерения определяется точностью определения координат единичного элемента шкалы (штриха).
Матричная технология использует в качестве шкалы измерительную марку в виде двумерной периодической структуры элементов в форме небольших точек. Общее число элементов может составляет десятки и сотни тысяч. Система выполняет измерение координат изображений этих элементов, а затем вычисляет параметры математической матрицы, для которой величина сдвигов между идентичными элементами матрицы и марки соответствует критерию минимума суммы средних квадратов отклонения.
В соответствии с законами статистики определенные таким образом средневзвешенные линейные и угловые координаты математической матрицы будут иметь погрешность координат в корень квадратный из N раз меньше по сравнению с результатом измерения для одного элемента, где N – число элементов в измерительной марке.
Основные компоненты матричного измерителя:
- измерительная марка площадью в несколько квадратных сантиметров
- цифровая камера с фотоприемной матрицей тех же размеров,
- репродукционный объектив с фокусным расстоянием 30–40 мм
Последовательность операций:
- Формирование изображения оптической марки на фотоприемной матрице цифровой камер
- Использование фотоприемной матрицы в качестве 2-D шкалы
- Измерение координат каждого элемента изображения марки, например, путем вычисления центра тяжести распределения яркости,
- Цифровая коррекцию координат элемента изображения марки с использованием данных об оптических искажения изображения (наклон, дисторсия) и ошибок изготовления марки.
- Расчет параметров матрицы координат всех элементов марки по методу наименьших квадратов. Координаты матрицы и есть искомые координаты перемещения объекта.
Типовой размер элемента измерительной марки 30 мкм, шаг между элементами 50 мкм. Погрешность измерения координаты единичного элемента изображения марки – 0.5 мкм. При использовании измерительной марки, содержащей 10 000 элементов погрешность координат элементов расчетной матрицы приблизительно 5 нм.
1 нм при использовании шкалы с погрешностью координат элементов порядка 1 мкм.
мм позволяет получить погрешность измерения угла порядка ±0.05". Для прибора с радиальной шкалой необходим диаметр не менее 100
мм.
2D платформы для позиционирования
с точностью 1 нм
Системы гидирования с угловой разрешающей способностью 0.001"
и точное станкостроение
1. Королев А.Н., Лукин А.Я., Полищук Г.С. “Новая концепция измерения угла. Модельные и экспериментальные исследования”, Оптический журнал, 2012, том 79, №6, 52-58. Скачать.
2. Королев А.Н., Лукин А.Я., Бохман Е.Д., Венедиктов В.Ю., Цифровой измеритель угла с 2D шкалой, Оптический журнал. 2018. Т. 85. №5. С. 19-25. Скачать
3. A.N.Korolev, A.Ya. Lukin, Y.V. Filatov, and V.Y. Venediktov. Reconstruction of the Image Metric of Periodic Structures in an Opto-Digital Angle Measurement System, Sensors, 2021, 21, 4411. Скачать
4. Королев А.Н., Лукин А.Я., Филатов Ю.В., Венедиктов В.Ю. Матричная технология линейно-угловых измерений, Оптический журнал, 2022, т. 89, №12, с. 54-64. Скачать
5. Королев А.Н., Лукин А.Я., Филатов Ю.В., Венедиктов В.Ю. Матричная технология измерений. Точность измерения координат элементов и контроль фотошаблонов, Оптический журнал, 2024, т. 91, №3, с. 115-123. Cкачать
6. Александр Королев, Павел Иванов, Юрий Филатов, Александр Лукин, Евгений Бохман. Исследование точностных характеристик матричных методов линейно-угловых измерений. 31 МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ПО ИНТЕГРИРОВАННЫМ НАВИГАЦИОННЫМ СИСТЕМАМ, САНКТ-ПЕТЕРБУРГ, 2024, стр. 323-326 Cкачать
-
Королев Александр Николаевичдоктор технических наук, 100+ публикаций
Образование ИТМО, оптик-физик.
20 лет работы в Государственном Оптическом Институте (ГОИ), руководитель лаборатории.
10 лет работы во ВНИИ Метрологии, руководитель лаборатории.
-
Лукин Александр Яковлевичкандидат физико-математических наук, 100+ публикаций
Образование Политех (СПбПУ Петра Великого), электрофизик.
50 лет работы в СПбПУ, кафедра физики, профессор.