6.2. СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ КОМПЕНСАЦИИ ПОГРЕШНОСТЕЙ

Представим процесс компенсации погрешностей ОП или функционального узла (ФУ) в виде следующей структурной схемы (рис. 6.22). Допущения относительно объекта измерения, инструментальные погрешности, погрешности регистрации и погрешности, возникающие из-за изменения влияющих факторов, приводят к ухудшению качества прибора (Лг/ — у- у0).

Рис. 6.22

Структурная схема компенсации погрешностей:

1 — объект (наблюдения, измерения, управления); 2 — оптический прибор (ФУ); 3 — измерительное, образцовое (эталонное), вычислительное устройство; 4 — система сравнения погрешности(ей) и показателей качества ОП (ФУ) с ее (их) допустимыми значениями; 5 — компенсатор; х, у — информативные параметры входного и выходного сигналов; q — конструктивные параметры прибора (ФУ); q' — влияющие факторы (рефракция воздушных слоев, температура, вибрации, номиналы источников электропитания т. п.); f — функция, связывающая х и у, х0, у0, q0, q'0, f0 — расчетные (номинальные) значения перечисленных параметров; Лг* — управляющий сигнал на компенсатор; Ахк — коррекция, вырабатываемая компенсатором, поступающая на вход прибора; Аук — коррекция компенсатора, подаваемая на выход прибора (т. е. коррекция информативного параметра выходного сигнала); Дqh — коррекция компенсатора, изменяющая параметры прибора.

В общем случае компенсатор, в зависимости от погрешностей прибора, входного или выходного информативного параметра, влияющих факторов вырабатывает (при необходимости с использованием вспомогательной энергии) коррекционное воздействие, которое изменяет конструктивные параметры прибора либо его входной или выходной сигнал, так что устраняется (компенсируется) либо результат действия погрешности на тот или иной показатель качества, либо сама погрешность. Для выработки коррекционного воздействия необходим управляющий сигнал на компенсатор (ДгА,), который создается с помощью системы сравнения.

Управляющий сигнал на компенсатор представляет собой в общем виде электрическое, механическое и т. п. воздействие на параметры компенсатора. Например, поворот распорного резьбового кольца между компонентами объектива для юстировки его фокусного расстояния (см. рис. 6.5б) либо регулировку опорного напряжения позиционно-чувствительного приемника в автоколлиматоре (см. рисунки приложения 2) для компенсации влияния погрешности фокусного расстояния объектива.

В зависимости от способов получения управляющего сигнала, структурные схемы компенсации погрешностей ОП могут быть построены по схемам, аналогичным компенсации погрешностей электроизмерительных приборов [3.37, 3.38]: схеме вспомогательных измерений, схеме образцовых сигналов, схеме обратного преобразования. Наибольшее распространение в ОП получили первые две схемы коррекции, их комбинация, а также схема цифровой (алгоритмической) коррекции.

Компенсация по схеме вспомогательных измерений (рис. 6.23) заключается в том, что погрешности параметров и изменения влияющих факторов либо их частичные влияния измеряются с помощью вспомогательных измерительных устройств. Их роль выполняют обычно контрольно-измеритель-

Рис. 6.23

Компенсация по схеме вспомогательных измерений

Рис. 6.24

Температурный компенсатор расфокусировки объектива:

1 — корпус объектива; 2-5 — оправы оптических компонентов; 6 — двуплечий рычаг; 7 — поршень; 8 — резервуар с жидкостью; 9 — замыкающая пружина.

ные приборы и средства: измерительные микроскопы, автоколлиматоры, приборы измерения линейных величин (индикаторы, оптиметры, интерферометры и т. п.), фазометры, осциллографы, датчики температуры и давления, лекальные линейки, пробные стекла и т. д.

Измеренные значения погрешностей поступают затем в систему (устройство) сравнения, функцию которого выполняет, например, при автоматизированной коррекции процессор, а при неавтоматизированной — оператор. В системе сравнения заложена зависимость частичных показателей качества (AyAq, AyAq) от первичных погрешностей и факторов: (AyAq д?. = f(x, у, q^Aq,, Aq)), а также допустимые значения первичных погрешностей и факторов (А<7,о, Aq'iaon) и их влияний (АуЛ(/.0, Ay^^J в виде численных значений, таблиц, графиков и пр.

На основании сравнения измеренных первичных погрешностей и факторов с их допустимыми значениями (либо действительного и допустимого влияния погрешностей) система сравнения вырабатывает при Aqt > Aqj0, AyAqt > AyAqi0 управляющий сигнал на компенсатор(ы) Агк. Управляющий сигнал изменяет параметры компенсатора, в результате чего он воздействует на параметры прибора (Лк) либо на информативные параметры х, у (Алгк, Аук) с целью устранения самой погрешности или ее влияния на качество.

В некоторых случаях задачи вспомогательного измерительного устройства и системы сравнения выполняют сами компенсаторы, например температурные компенсаторы расфокусировки и изменения диаметров линз и зеркал, представляющие собой набор деталей из материалов со специально подобранными коэффициентами линейного расширения [3.9] (рис. 6.24, см. также рис. 1.40).

Компенсация расфокусировки (AS) из-за изменения температуры (АО достигается осевым сдвигом (L2) линзы 4 поршнем, перемещение (Lx) которого обусловлено температурными изменениями объема жидкости и резервуара:

где F0 — номинальный объем резервуара; |3 — коэффициент объемного расширения жидкости; А0 — номинальное сечение поршня; а — коэффициент линейного расширения материала резервуара и поршня; К — коэффициент влияния перемещения линзы на расфокусировку.

По схеме вспомогательных измерений происходит, например, компенсация погрешностей в процессе юстировки приборов регулировочно-юстиро- вочными компенсаторами при поузловой сборке или отдельных показателей его качества (см. рис. 6.5-6.7).

Из эксплуатационных факторов по такой схеме компенсируется, например, влияние перепада температуры, когда по измеренному ее значению вводят поправки в результат (см. п. 6.5), либо изменяя некоторые конструктивные параметры прибора температурными компенсаторами [3.9, 3.14].

По данной схеме построена компенсация погрешностей в адаптивной оптике, где по измеренным сигналам с приемников (или деформации волнового фронта), обусловленных рефракцией и турбулентностью воздушных слоев, с помощью процессора управляются переферийные зеркала составного главного зеркала (см. рис. 6.15) либо адаптивное (гибкое) вторичное зеркало (см. рис. 6.16).

Метод вспомогательных измерений обладает следующими особенностями:

  • 1) корректируется не суммарный показатель качества (суммарная погрешность) прибора, а только его составляющие, обусловленные отличием некоторых первичных, частичных или комплексных погрешностей от их номинальных значений;
  • 2) для измерения отклонения каждой компенсируемой погрешности от ее номинального значения (A#,, Aq, Ay^q, AyAq.) необходимо иметь соответствующее вспомогательное измерительное устройство (ВИУ);
  • 3) система сравнения должна содержать для корректируемых погрешностей их допустимые значения;
  • 4) результат коррекции в существенной мере зависит от качества ВИУ и оптимальной последовательности операций.

Компенсация по схеме образцовых сигналов (рис. 6.25) основана на том, что на вход прибора (функционального устройства) подается образцовый сигнал0) либо в состав системы коррекции входит образцовый (эталонный ) преобразователь. Образцовый сигнал позволяет получить номинальное значение (г/0) информативного параметра выходного сигнала путем расчета по номинальной функции прибора, а образцовый прямой преобразователь (эталонный прибор) — номинальным (эталонным) преобразованием сигнала.

Рис. 6.25

Компенсация по схеме образцовых сигналов

Номинальное значение (у0) поступает в систему сравнения, где вычисляется разность значения у0 и действительного его значения (у), поступившего с выхода прибора: Ду = уу0.

Система сравнения на основании сравнения Ау с его допустимым значением (Ayi0) вырабатывает при Ду > Д(/уи управляющий сигнал на компенсатор.

В качестве образцового сигнала используется волновой фронт эталонного источника светового излучения, эталоны угловых и линейных величин (шкалы, концевые меры, призмы, коллиматоры и т. п.), углы и расстояния между предметами, звездами, длины волн спектральных линий и т. п.

Образцовыми преобразователями могут быть эталонные приборы, объективы, оптические микрометры, датчики, источники и приемники оптического излучения и т. п.

По схеме образцовых сигналов обычно производится компенсация погрешностей при окончательной юстировке прибора или его функциональных узлов, калибровка измерительных приборов по эталонным мерам, объектам и приборам.

Наиболее типичным примером является компенсация аберраций объективов из-за технологических погрешностей его элементов, когда по дифракционному изображению точки или изображению миры судят о наличии тех или иных аберраций и устраняют их, воздействуя на определенные компоненты (см. п. 6.6, 9.2.3).

По такой схеме работают некоторые автоматические компенсаторы гну- тий и расфокусировки телескопов, основанные на встроенных в них эталонных преобразователях [3.9].

Компенсация по схеме образцовых сигналов обладает следующими особенностями:

  • 1) корректируется показатель качества (суммарная погрешность) прибора (или узла), обусловленный действием всех влияющих на него погрешностей;
  • 2) необходим образцовый информативный параметр входного сигнала (образцовый, эталонный сигнал) Х(), либо образцовый (эталонный) прибор (устройство, преобразователь), позволяющие получить номинальное преобразование;
  • 3) коррекция производится в дискретных точках диапазона работы прибора, соответствующих значениям образцового сигнала (например, для определенной волны света) либо моментах сравнения номинального и реального преобразования;
  • 4) результат коррекции в существенной мере зависит от качества образцового сигнала либо эталонного преобразователя.

Компенсация по схеме обратного преобразования основана на сравнении информативного параметра входного сигнала (X) с его номинальным значением (Хн), полученным с помощью преобразования информативного параметра выходного сигнала (У) образцовым обратным преобразователем ООП (рис. 6.26а).

Входной сигнал X и его номинальное значение Хн поступают в систему сравнения, где их разность сравнивается с ее допустимым значением. На основании этого сравнения вырабатывается Агк. В образцовом обратном преобразователе заложена номинальная функция обратного преобразования:

Данная схема компенсации фактически является разновидностью схемы образцовых сигналов.

Компенсация по схеме обратного преобразования имеет следующие особенности:

1) корректируется показатель качества (суммарная погрешность) прибора, обусловленный инструментальными погрешностями, погрешностями регистрации и влияющими факторами. Погрешности, обусловленные допу-

Рис. 6.26

Компенсация по схеме обратного преобразования (а) и по схеме цифровой (алгоритмической) коррекции (б)

щениями относительно объекта и канала (т. е. «доприборные»), учитываются только при наличии образцового входного сигнала Хи от самого объекта;

2) необходим образцовый обратный преобразователь ООП, от точности которого существенно зависит точность коррекции.

Во всех рассмотренных случаях коррекционное воздействие компенсатора может быть направлено как на параметры прибора AqK, так и на информативные параметры выходного и входного (редкий случай) сигналов: Аук и Дхк.

Компенсация по схеме цифровой (алгоритмической) коррекции заключается в том, что входящее в систему коррекции вычислительное устройство (ВУ) 3 — микропроцессор, микроконтроллер, персональный компьютер — вводит в результат функционирования ОП поправки для компенсации влияния погрешностей (рис. 6.266). Эти поправки вычисляются по определенному алгоритму для текущего значения информативного параметра выходного сигнала. Алгоритм закладывается в память ВУ на основе теоретического анализа влияния тех или иных погрешностей и факторов либо результатов их измерений.

По такой схеме, которая в настоящее время используется очень широко (так как в состав многих точных приборов входит ВУ), компенсируют, например, влияние теоретических погрешностей, систематических технологических и эксплуатационных погрешностей, а также случайных погрешностей путем усреднения результатов при повторных циклах функционирования по одному и тому же входному сигналу. Конкретные примеры цифровой коррекции погрешностей будут рассмотрены в п. 6.5.

Компенсация по схеме цифровой (алгоритмической) коррекции обладает следующими особенностями:

  • 1) возможна коррекция как систематических, так и случайных погрешностей;
  • 2) необходимо определение корректирующей функции и алгоритма коррекции погрешностей;
  • 3) точность коррекции в существенной степени зависит от точности корректирующей функции, оптимальности алгоритма и точности его привязки к информативному параметру выходного сигнала.

Довольно часто процесс компенсации погрешностей ОП построен по смешанной (комплексной) схеме: при поузловой сборке применяется схема вспомогательных измерений, окончательная юстировка осуществляется по схеме образцовых сигналов, а компенсацию теоретических и эксплуатационных погрешностей выполняют по схеме цифровой (алгоритмической) коррекции.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >