RU2637727C1 - Standard of unit of straight angle - Google Patents

Standard of unit of straight angle Download PDF

Info

Publication number
RU2637727C1
RU2637727C1 RU2016137715A RU2016137715A RU2637727C1 RU 2637727 C1 RU2637727 C1 RU 2637727C1 RU 2016137715 A RU2016137715 A RU 2016137715A RU 2016137715 A RU2016137715 A RU 2016137715A RU 2637727 C1 RU2637727 C1 RU 2637727C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
raster
interpolating
standard
unit
screen
Prior art date
Application number
RU2016137715A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерий Павлович Кирьянов
Алексей Валерьевич Кирьянов
Original Assignee
ФАНО России Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ФАНО России Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН) filed Critical ФАНО России Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН)
Priority to RU2016137715A priority Critical patent/RU2637727C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2637727C1 publication Critical patent/RU2637727C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/26—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: proposed standard of unit of the straight angle contains a transparent quartz carrier on which the 'start/end of rotation' label, the first screen (synchronizing) and the second screen (interpolating) are marked sequentially in the direction from the center of the disk to the periphery. In addition the standard includes the illuminator the 'start/end of rotation' label, a ring illuminator of the first screen (synchronizing) and the illuminator of the second screen (interpolating), an indicator disk, a photoelectric detector of the 'start/end of rotation' label, two photoelectric detectors of the first screen (synchronizing) and a data readout system of the second screen (interpolating), while on the working surface of the indicator disk there are as follows: a structure that is interfaced with the structure of the 'start/end of rotation' label and two ring structures that form with the first screen (synchronizing) two raster conjugation of obturation type, shifted in phase relative to each other by 180°, where segments of off-axis Fresnel lenses are in the windows of the ring structures of the indicator disk. The lenses focus the radiation passing through these windows onto the corresponding photoelectric detectors of the first screen (synchronizing); the second screen (interpolating) is made in the form of a diffraction grating with a radial orientation of the fingers. The data readout system of the second screen (interpolating) is made, respectively, in the form of a diffraction interferometer that emits the first diffraction orders of radiation. The main output of the standard of unit of the straight angle is the output of a shaper, the inputs of which are connected to the output of the photoelectric detector of the 'start/end of rotation' label and the outputs of the photoelectric detectors of the screen (synchronizing). In the composition of the standard a comparison system of undefined angles in static mode of the standard of unit of the straight angle is provided. It consists of the first digital comparator, a finger counter of the second screen (interpolating) and a unit of interstroke interpolation. In addition, the standard of unit of the straight angle has a self-calibration system of the second screen (interpolating) and a comparison system of undefined angles in dynamic mode of the standard of unit of the straight angle, containing the second digital comparator.
EFFECT: increase of the metrological quality of the standard of unit of the straight angle.
3 cl, 6 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники - метрологии.The present invention relates to the field of measurement technology - metrology.

В настоящее время в РФ носителем наивысшей точности задания значения плоского угла является Государственный первичный эталон единицы плоского угла ГЭТ 22-80.Currently, in the Russian Federation, the carrier of the highest accuracy in setting the plane angle value is the State primary standard of the flat angle unit GET 22-80.

Государственный первичный эталон состоит из комплекса следующих средств измерений:The state primary standard consists of a set of the following measuring instruments:

- интерференционного экзаменатора для воспроизведения единицы и передачи ее размера в области малых углов;- interference examiner to reproduce the unit and transfer its size in the field of small angles;

- угломерной автоколлимационной установки для передачи размера единицы;- goniometric autocollimation unit for transmitting unit size;

- 12-гранной кварцевой призмы для контроля стабильности эталона.- 12-faceted quartz prism to control the stability of the standard.

Диапазон значений плоского угла, воспроизводимых эталоном, составляет 0÷360° с дискретностью 30°.The range of values of the flat angle reproduced by the standard is 0 ÷ 360 ° with a resolution of 30 °.

Государственный первичный эталон обеспечивает воспроизведение единицы со средним квадратическим отклонением результата измерений S, не превышающим 0,01ʺ при 132 совокупных относительных измерениях 12-гранной призмы. Неисключенная систематическая погрешность Θ не превышает 0,02ʺ. Основной режим работы - статический.The state primary standard provides reproduction of a unit with an average square deviation of the measurement result S not exceeding 0.01 ʺ with 132 total relative measurements of a 12-sided prism. The non-excluded systematic error Θ does not exceed 0.02ʺ. The main mode of operation is static.

Можно считать, что выполнение основной функции Государственного эталона: воспроизведения и хранения единицы плоского угла, а также передача размера единицы при помощи вторичных эталонов и образцовых средств измерений рабочим средствам измерений, применяемым в народном хозяйстве с целью обеспечения в стране единства измерений, выполняется требуемым образом в доверительном интервале ±3S, что составляет ±0,03ʺ.It can be considered that the fulfillment of the main function of the State Standard: reproducing and storing a unit of a flat angle, as well as transferring the unit size using secondary standards and exemplary measuring instruments to working measuring instruments used in the national economy with the aim of ensuring the uniformity of measurements in the country, is performed as required confidence interval ± 3S, which is ± 0.03ʺ.

В это же время ряд зарубежных стран (например, Германия, Япония) перешли на принципиально иные эталоны единицы плоского угла, основанные на использовании круговых растров. Это позволило им добиться неопределенности воспроизведения, хранения единицы плоского угла и передачи размера единицы при помощи вторичных эталонов и образцовых средств измерений рабочим средствам измерений на уровне ±0,002ʺ. При воспроизводимости результатов не хуже ±0,001ʺ. Из этого следует, что метрологическое качество Государственного эталона единицы плоского угла РФ более чем на порядок хуже указанных выше зарубежных эталонов.At the same time, a number of foreign countries (for example, Germany, Japan) switched to fundamentally different standards for a flat angle unit based on the use of circular rasters. This allowed them to achieve the uncertainty of reproduction, storage of a flat angle unit and transfer of the unit size using secondary standards and exemplary measuring instruments to working measuring instruments at a level of ± 0.002ʺ. When reproducible, the results are not worse than ± 0.001ʺ. It follows that the metrological quality of the State standard of the unit of flat angle of the Russian Federation is more than an order of magnitude worse than the above foreign standards.

Выполненные в конце девяностых, начале двухтысячных годов работы по созданию нового первичного эталона единицы плоского угла, модели ГЭТ 94-01, на основе кольцевого лазера и фотоэлектрического растрового преобразователя угла, работающего в динамическом режиме, не привели к кардинальному решению проблемы повышения точности отечественного первичного эталона единицы плоского угла, т.к. государственный эталон модели ГЭТ 94-01 обеспечивает неопределенность воспроизведения, хранения единицы плоского угла на уровне ±0,04ʺ. При этом неисключенная систематическая погрешность Θ эталона не превышает 0,05ʺ. Т.е. новая модель Государственного эталона единицы плоского угла обеспечивает точность воспроизведения единицы угла как минимум в четыре раза хуже, чем старая модель. При этом передача размера единицы вторичным эталонам и образцовым рабочим средствам измерений осуществляется только в динамике и выполняется с неопределенностью ±(0,1…0,3)ʺ, что на порядок хуже, чем обеспечивается в старой модели в статическом режиме. Следовательно, проблема создания более точного первичного эталона единицы плоского угла остается для РФ актуальной.The work carried out in the late nineties and the beginning of the two thousandth years to create a new primary standard of a flat angle unit, model GET 94-01, based on a ring laser and a photoelectric raster angle converter operating in dynamic mode, did not lead to a radical solution to the problem of improving the accuracy of the domestic primary standard units of a flat angle, because the state standard of the GET 94-01 model provides the uncertainty of reproduction, storage of a unit of a flat angle at a level of ± 0.04ʺ. Moreover, the non-excluded systematic error of the Θ standard does not exceed 0.05 ʺ. Those. the new model of the State Standard of the Flat Angle Unit provides the accuracy of reproducing the angle unit at least four times worse than the old model. In this case, the transfer of the unit size to secondary standards and exemplary measuring instruments is carried out only in dynamics and is performed with an uncertainty of ± (0.1 ... 0.3) ʺ, which is an order of magnitude worse than that provided in the old model in the static mode. Consequently, the problem of creating a more accurate primary standard of a unit of a flat angle remains relevant for the Russian Federation.

Предлагаемое техническое решение ориентировано на создание эталона единицы плоского угла нового поколения с метрологическими параметрами, по крайней мере, не уступающими современным эталонам развитых стран. Практическая реализация этого решения позволит выполнять проблему сличения образцовых средств измерений с высокой точностью как в статическом, так и в динамическом режиме, что позволит также покончить с существующей зависимостью отечественных производителей, например новейших средств вооружений и военной техники от зарубежных эталонов в части прецизионной калибровки высокоточных средств измерений.The proposed technical solution is aimed at creating a standard of a new-generation flat-angle unit with metrological parameters that are at least not inferior to modern standards of developed countries. The practical implementation of this solution will allow us to solve the problem of comparing standard measuring instruments with high accuracy both in static and in dynamic mode, which will also help to eliminate the existing dependence of domestic manufacturers, for example, the latest weapons and military equipment on foreign standards, in terms of precision calibration of high-precision instruments measurements.

1. Естественным эталоном единицы плоского угла является полный оборот на 360°, а все действующие в настоящее время единицы измерения углов: радиан, градус, угловая минута, угловая секунда и их доли, являются производными единицами, образованными делением полного поворота на требуемый коэффициент.1. The natural standard of a unit of a flat angle is a full rotation of 360 °, and all currently existing units of measurement of angles: radian, degree, angular minute, angular second and their fractions, are derived units formed by dividing the total rotation by the required coefficient.

Для воспроизведения этого естественного эталона требуется специальная метка «начало/конец оборота», которая формируется на термостабильном носителе, устанавливаемом на поворотном столе. Стабильность воспроизведения в пространстве положения метки «начало/конец оборота» напрямую зависит от стабильности положения в пространстве оси вращения ротора поворотного стола эталона. Если подшипники поворотного стола допускают биение оси вращения ротора, равное ε, то угловая нестабильность δϕ положения метки «начало/конец оборота», установленной на расстоянии R от оси вращения ротора, составитTo reproduce this natural standard, a special “start / end of revolution” mark is required, which is formed on a thermostable carrier mounted on a turntable. The stability of the reproduction in space of the position of the “start / end of revolution” label directly depends on the stability of the position in space of the axis of rotation of the rotor of the standard rotary table. If the bearings of the rotary table allow the beat of the rotor axis of rotation equal to ε, then the angular instability δϕ of the position of the “start / end of revolution” mark installed at a distance R from the rotor axis of rotation will be

Figure 00000001
Figure 00000001

здесь ε задана в мкм, R в метрах, а δϕ оценивается в угловых секундах.here ε is given in microns, R in meters, and δϕ is estimated in arc seconds.

Например, если в эталоне используется аэростатический подшипник с биением оси ε=0,1 мкм, а метка «начало/конец оборота» сформирована на расстоянии R=0,1 м, то угловая нестабильность положения метки составит δϕ=0,2ʺ, что в двадцать раз хуже, чем обеспечивается воспроизведение угла Государственным эталоном ГЭТ 22-80. Чтобы приблизиться к параметрам, обеспечиваемым ГЭТ 22-80, необходимо либо уменьшить ε в двадцать раз (т.е. довести биения ротора до 5 нм), что весьма непросто, либо увеличить радиус записи метки «начало/конец оборота» до 2 метров. В этом случае масса кварцевого диска таких габаритов не позволит обеспечить стабильность подшипника на уровне ε=0,1 мкм. Т.е. проблема стабильности воспроизведения в пространстве положения метки «начало/конец оборота» не решается «в лоб».For example, if the standard uses an aerostatic bearing with a beating axis ε = 0.1 μm, and the “start / end of revolution” mark is formed at a distance of R = 0.1 m, then the angular instability of the position of the mark will be δϕ = 0.2ʺ, which in twenty times worse than the angle reproduction by the State standard GET 22-80. To get closer to the parameters provided by GET 22-80, it is necessary either to reduce ε by a factor of twenty (that is, to bring the rotor runout to 5 nm), which is very difficult, or to increase the radius of the “start / end of revolution” mark to 2 meters. In this case, the mass of a quartz disk of such dimensions will not allow to ensure the stability of the bearing at the level of ε = 0.1 μm. Those. the problem of the stability of reproduction in space of the position of the “start / end of a turn” label is not solved “head on”.

Указанные особенности хорошо изучены в технике производства угловых преобразователей, используемых при измерении угла поворота с помощью радиального растра и одной считывающей головки, выходные сигналы которой передают в блок обработки, в котором накапливают интегральную сумму, пропорциональную углу поворота (см., например, «Фотоэлектрические преобразователи информации». М.: «Машиностроение», 1974, под редакцией д.т.н., проф. Л.Н. Преснухина). Основным способом снижения погрешности преобразования в этом случае является применение принципа путевого усреднения (см., например, В.Ф. Ионак «Приборы кинематического контроля». М.: «Машиностроение», 1981, 129 с.). Способ реализуется путем использования нескольких дополнительных считывающих головок, однотипных с основной головкой и расположенных по кругу с равным шагом, выходные сигналы которых суммируют с выходным сигналом основной головки.These features have been well studied in the production technology of angle converters used to measure the angle of rotation using a radial raster and one read head, the output signals of which are transmitted to the processing unit, in which they accumulate an integral sum proportional to the angle of rotation (see, for example, “Photoelectric Converters Information. ”M.:“ Mechanical Engineering ”, 1974, edited by Doctor of Technical Sciences, Professor LN Presnukhin). The main way to reduce the conversion error in this case is to apply the principle of track averaging (see, for example, V.F. Ionak “Instruments of kinematic control.” M .: “Mechanical Engineering”, 1981, 129 pp.). The method is implemented by using several additional reading heads of the same type with the main head and arranged in a circle with equal steps, the output signals of which are summed with the output signal of the main head.

Так, если используется только одна дополнительная считывающая головка, расположенная диаметрально противоположно основной, то в результате сложения их выходных сигналов в суммарном сигнале происходит подавление всех нечетных гармоник погрешности, вызванной эксцентриситетом установки растра на валу, биениями подшипников вала и неточностью изготовления самого растра.So, if only one additional reading head is used, which is diametrically opposed to the main one, then as a result of summing their output signals in the total signal, all odd harmonics of the error are suppressed due to the eccentricity of the raster installation on the shaft, beating of the shaft bearings and inaccuracy of manufacturing the raster itself.

Однако этот метод не обеспечивает снижения указанных выше факторов, дестабилизирующих стабильность положения в пространстве метки «начало/конец» оборота. Поэтому для обеспечения этой стабильности применяют известный прием синхронизации сигнала «начала/конца» оборота (см., например, B.C. Гутников, «Интегральная электроника в измерительных устройствах». Л.: «Энергоатомиздат», Ленинградское отделение, 1988. 304 с.), при котором сигнал, выработанный головкой считывания сигнала «начала/конца» оборота, используется для инициализации т.н. «триггера-защелки», с помощью которого выделяется ближайший импульс, сформированный из суммарного сигнала считывающих головок радиального растра, и который принимается теперь за сигнал «начала/конца» оборота. Положение этого сигнала не подвержено возмущающему действию эксцентриситета, хотя остается дестабилизирующее влияние остаточных гармоник кривой погрешности, вносимых неточностью изготовления растра и биениями подшипников.However, this method does not reduce the above factors that destabilize the stability of the position in the space of the label "start / end" of the turnover. Therefore, to ensure this stability, the well-known method of synchronizing the “start / end” signal of a revolution is used (see, for example, BC Gutnikov, “Integrated Electronics in Measuring Devices.” L .: Energoatomizdat, Leningrad Branch, 1988. 304 p.), in which the signal generated by the read head of the “start / end” signal of the revolution is used to initialize the so-called “Trigger latch”, with which the nearest pulse is generated, formed from the total signal of the read heads of the radial raster, and which is now taken as the “start / end” signal of the revolution. The position of this signal is not subject to the disturbing action of the eccentricity, although the destabilizing effect of the residual harmonics of the error curve, introduced by the inaccuracy of the raster manufacturing and the beating of the bearings, remains.

Дальнейшее повышение стабильности в пространстве метки «начала/конца» оборота достигается за счет снижения вклада гармоник с более высокими номерами за счет увеличения числа считывающих сигналы растра головок (См., например, T. Masuda, М. Kajitani. «An automatic calibration system for angular encoders». «Precision Engineering», vol. 11, No 2, 1989, p. 95).A further increase in stability in the space of the “start / end” mark of the revolution is achieved by reducing the contribution of harmonics with higher numbers by increasing the number of readout signals of the raster heads (See, for example, T. Masuda, M. Kajitani. “An automatic calibration system for angular encoders ”.“ Precision Engineering ”, vol. 11, No. 2, 1989, p. 95).

Рекомендации о количестве используемых считывающих головок приведены, например, в работе (Т. Watanabe, Н. Fujimoto, K. Nakayama, Т. Masuda, М. Kajitani. «Automatic high precision calibration system for angle encoder» II. Proc SPIE, 2003; 5190: 400-9).Recommendations on the number of read heads used are given, for example, in (T. Watanabe, N. Fujimoto, K. Nakayama, T. Masuda, M. Kajitani. "Automatic high precision calibration system for angle encoder" II. Proc SPIE, 2003; 5190: 400-9).

И, наконец, предельный переход от конечного числа считывающих головок к регулярному множеству считывающих элементов, равному числу штрихов в радиальном растре, сделан в монографии (Л.Н. Преснухин, В.Ф. Шаньгин, Ю.А. Шаталов «Муаровые растровые датчики положения и их применение», стр. 195), в которой приводится описание функциональной схемы делительного устройства для производства кодирующих дисков с управлением от муарового сигнала, усредненного по всей окружности эталонного диска. Эталонный (референтный) датчик этой установки собран на основе двух растров с одинаковым числом штрихов. Утверждается, что оптическая система датчика «…собирает свет со всей кольцеобразной поверхности обоих растров на один фотоприемник. Синусоидальный сигнал, снимаемый с интегрирующего фотоприемника, практически свободен от фазовой ошибки, связанной с погрешностями положения штрихов обоих растров».And, finally, the passage from a finite number of read heads to a regular set of read elements equal to the number of strokes in a radial raster is made in the monograph (L.N. Presnukhin, V.F. Shangin, Yu.A. Shatalov “Moiré raster position sensors and their application ”, p. 195), which describes the functional diagram of a dividing device for the production of coding disks controlled by a moire signal averaged over the entire circumference of the reference disk. The reference (reference) sensor of this installation is assembled on the basis of two rasters with the same number of strokes. It is alleged that the optical system of the sensor “... collects light from the entire annular surface of both rasters into one photodetector. "The sinusoidal signal taken from the integrating photodetector is practically free of phase error associated with the position errors of the strokes of both rasters."

Если применить выводы, сделанные в работах японских авторов, к заключению, сделанному на 195 стр. монографии Л.Н. Преснухина и др., то можно считать, что интегральное считывание позволяет подавить влияние всех (2n-1) первых гармоник спектра погрешности преобразования угла, где 2n - число штрихов растра. Тогда в таких преобразователях погрешность преобразования будет определяться только остаточным вкладом гармоники с номером 2n.If we apply the conclusions drawn in the works of Japanese authors, to the conclusion made on the 195 pages of the monograph by L.N. Presnukhina et al., It can be considered that integral reading allows suppressing the influence of all (2 n -1) first harmonics of the spectrum of the angle conversion error, where 2 n is the number of strokes of the raster. Then, in such converters, the conversion error will be determined only by the residual contribution of the harmonic with number 2 n .

В представленной заявке на изобретение предлагается техническое решение, в котором используется интегральное считывание информации одновременно со всех штрихов растрового сопряжения для создания эталона единицы плоского угла нового поколения.In the submitted application for an invention, a technical solution is proposed that uses integrated reading of information simultaneously from all the raster interface strokes to create a standard of a new-generation flat-angle unit.

Физическим носителем эталона единицы плоского угла является диск из кварцевого стекла 1 (см. фиг. 1), установленный на прецизионную ось 2. На диске за единый технологический цикл последовательно в направлении от центра диска к периферии нанесены структуры эталона: метка «начало/конец оборота» 3, первый растр (синхронизирующий) 4 и второй растр (интерполирующий) 5.The physical carrier of the standard unit of a flat angle is a quartz glass disk 1 (see Fig. 1) mounted on a precision axis 2. On the disk for a single technological cycle, the structure of the standard is sequentially applied in the direction from the center of the disk to the periphery: start / end mark »3, the first raster (synchronizing) 4 and the second raster (interpolating) 5.

Под кварцевым диском 1 установлены (см. фиг. 2): осветитель метки «начало/конец оборота» 6, кольцевой осветитель 6 первого растра (синхронизирующего) 4 и осветитель 14 второго растра (интерполирующего) 5.Under the quartz disk 1 are installed (see Fig. 2): the illuminator labels "start / end of revolution" 6, the annular illuminator 6 of the first raster (synchronizing) 4 and the illuminator 14 of the second raster (interpolating) 5.

Над кварцевым диском 1 установлены: диск индикаторный 7, фотоприемник 11 метки «начало/конец оборота», который с помощью формирователя 17 создает первый (основной) информационный выход 18 эталона единицы плоского угла, два фотоприемника 12 первого растра (синхронизирующего), подключенные ко входам формирователя 16, создающего второй информационный выход 19 эталона, и система 13 считывания данных со второго растра (интерполирующего) 5, которая формирует информационные выходы 20 растра интерполирующего 5.Above quartz disk 1 are installed: indicator disk 7, photodetector 11 of the “start / end of revolution” label, which with the help of former 17 creates the first (main) information output 18 of the standard unit of a flat angle, two photodetectors 12 of the first raster (synchronizing) connected to the inputs shaper 16, creating a second information output 19 of the standard, and a system 13 for reading data from the second raster (interpolating) 5, which generates information outputs 20 of the raster of interpolating 5.

Метка «начало/конец оборота» 3 может быть сформирована по-разному, например, в виде протяженной щели, либо в виде структуры, получившей название «случайной маски», либо в виде фокусирующей структуры типа линзы Френеля. В соответствии с выбором типа метки «начало/конец оборота» 3 на рабочей поверхности диска индикаторного 7 нанесена соответствующая структура, сопрягаемая со сформированной на диске 1 меткой «начало/конец оборота»: щель, случайная маска, идентичная структуре метки «начало/конец оборота» на кварцевом диске, или круглая диафрагма, соответственно. На фиг. 2 метка «начало/конец оборота» 3 представлена как фокусирующая структура типа линзы Френеля. Поэтому на диске индикаторном 7 сформирована диафрагма 10 диаметром не менее 1,5 периодов растра 4.The “start / end of revolution” mark 3 can be formed in different ways, for example, in the form of an extended slit, or in the form of a structure called a “random mask”, or in the form of a focusing structure such as a Fresnel lens. In accordance with the choice of the type of label “start / end of revolution” 3 on the working surface of the indicator disk 7, a corresponding structure is applied that is mated to the label “start / end of revolution” formed on disk 1: a slot, a random mask identical to the structure of the label “start / end of revolution” »On a quartz disk, or a circular diaphragm, respectively. In FIG. 2 label “start / end of revolution” 3 is presented as a focusing structure such as a Fresnel lens. Therefore, a diaphragm 10 with a diameter of at least 1.5 raster periods 4 is formed on the indicator disk 7.

Конструкция заявляемого эталона единицы плоского угла обеспечивает интегральное считывание информации одновременно со всех штрихов растра 4. Для этого используется круговой осветитель 6 и считывание информации с растра 4 осуществляется с помощью растрового сопряжения обтюрационного типа (РСОТ), позволяющего получить синхронную модуляцию световых потоков во всех «окнах» растрового сопряжения. Известно, что РСОТ характеризуются функцией пропускания Праст следующего вида (см. «Фотоэлектрические преобразователи информации». М.: «Машиностроение», 1974, под редакцией д.т.н., проф. Л.Н. Преснухина, стр. 163):The design of the inventive standard unit of a flat angle provides an integrated reading of information simultaneously from all strokes of the raster 4. For this, a circular illuminator 6 is used and information is read from the raster 4 using raster conjugation of obturation type (PCOT), which allows to obtain synchronous modulation of light flux in all "windows »Raster pairing. It is known that RSOT characterized by a transmission function of the form P stretch (cm. "Photoelectric converters information". M .: "Engineering", 1974, edited by Prof.. Presnuhina LN, p. 163) :

Figure 00000002
Figure 00000002

Функция пропускания Прас разлагается в ряд Фурье, содержащего только нечетные гармоники. Эта функция пропускания характеризуется треугольной формой зависимости интенсивности проходящего света от взаимного положения растров в пределах одного периода.The transmission function P races expanded into a Fourier series having only odd harmonics. This transmission function is characterized by a triangular shape of the dependence of the transmitted light intensity on the relative position of the rasters within the same period.

Для повышения отношения «сигнал-шум» при регистрации сигналов с РСОТ кольцевой осветитель 6 должен обладать малой пространственной и временной когерентностью. По этой причине целесообразно его выполнять, например, электролюминесцентного типа.To increase the signal-to-noise ratio when registering signals with PCOT, the ring illuminator 6 should have low spatial and temporal coherence. For this reason, it is advisable to perform it, for example, electroluminescent type.

Известно также, что фотоприемники, используемые для регистрации оптических сигналов, обладают квадратичной характеристикой, что приводит к увеличенной чувствительности к искажениям фазы переменной составляющей от случайных флуктуаций интенсивности освещающего излучения. Поэтому в растровых угловых датчиках формируют пары измерительных сигналов (прямой и смещенный на 180°), чтобы после их вычитания устранить постоянную составляющую в сигналах и регистрировать моменты прохода текущего значения выходного сигнала через нулевой уровень, что существенно повышает стабильность измерения фазы сигналов.It is also known that photodetectors used to register optical signals have a quadratic characteristic, which leads to an increased sensitivity to phase distortion of the variable component from random fluctuations in the intensity of the illuminating radiation. Therefore, pairs of measuring signals (direct and offset by 180 °) are formed in the raster angle sensors, so that after their subtraction, the constant component in the signals is eliminated and the moments of passage of the current value of the output signal through the zero level are recorded, which significantly increases the stability of phase measurement of the signals.

При треугольной форме выходных сигналов искажения фазы линейно связаны с флуктуациями интенсивности освещающего излучения. Поэтому в данной заявке интегральное считывание производится с помощью двух кольцевых структур 8 и 9 (фиг. 2), сформированных на рабочей поверхности диска индикаторного 7 и образующих с растром синхронизирующим 4 два РСОТ, сдвинутых по фазе относительно друг друга на 180° (фиг. 3). Для выделения этих сигналов в окнах кольцевых структур 8 и 9 диска индикаторного 7 нанесены сегменты внеосевых линз Френеля 21 (см. фиг. 3), фокусирующие излучение, проходящее через окна кольцевых структур, на фотоприемники 12 растра синхронизирующего 4. На фиг. 3 РСОТ представлено не полностью, а в виде фрагмента, включающего части диска кварцевого 1 и диска индикаторного 7.With a triangular shape of the output signals, phase distortions are linearly related to fluctuations in the intensity of the illuminating radiation. Therefore, in this application, integral reading is performed using two ring structures 8 and 9 (Fig. 2), formed on the working surface of the indicator disk 7 and forming with the raster synchronizing 4 two RSOT, phase shifted relative to each other by 180 ° (Fig. 3 ) To isolate these signals, the off-axis Fresnel lens 21 segments (see FIG. 3) are applied in the windows of the ring structures 8 and 9 of the indicator 7 disk, focusing the radiation passing through the windows of the ring structures to the photodetectors 12 of the synchronization raster 4. In FIG. 3 РСОТ is not presented completely, but in the form of a fragment, which includes parts of the quartz 1 disk and indicator 7 disk.

Оба фотоприемника 12 подключены к формирователю 16 информационных сигналов растра синхронизирующего, выход которого является вторым информационным выходом 19 эталона единицы плоского угла. Кроме того, он соединен со вторым входом блока синхронизации 17, первый вход которого соединен с выходом фотоприемника 11, а выход блока 17 представляет собой основной информационный выход 18 эталона единицы плоского угла.Both photodetectors 12 are connected to the shaper 16 of the information signals of the synchronization raster, the output of which is the second information output 19 of the standard unit of a flat angle. In addition, it is connected to the second input of the synchronization unit 17, the first input of which is connected to the output of the photodetector 11, and the output of the unit 17 is the main information output 18 of the standard unit of a flat angle.

Оценим, с какой угловой неопределенностью воспроизводится выходной сигнал основного информационного выхода 18 эталона единицы плоского угла и второго информационного выхода 19 в соответствии с предлагаемой конфигурацией эталона единицы плоского угла. Примем, что растр 4 (синхронизирующий) сформирован на кварцевом диске 1 на диаметре, равном 100 мм, и имеет 1024 штриха (210). Предположим также, что растр записан с помощью технологического комплекса, характеризующегося фактором нестабильности F, равным, например, 0,218 мкм (относительно фактора нестабильности F см. Кирьянов В.П., Кирьянов А.В. «Улучшение метрологических характеристик лазерных генераторов изображений с круговым сканированием», «Автометрия», 2010, т. 46, №5, с. 77-93). Этот показатель используется для оценки точности формирования топологии углоизмерительных структур, например растров, шкал, лимбов, изготавливаемых с помощью данного комплекса. Т.к. фактор нестабильности F, погрешность изготовления растра δизг и диаметр изготавливаемого растра D связаны между собой следующим соотношением:Let us estimate with what angular uncertainty the output signal of the main information output 18 of the standard unit of a flat angle and the second information output 19 is reproduced in accordance with the proposed configuration of the standard unit of a flat angle. Let us assume that raster 4 (synchronizing) is formed on quartz disk 1 at a diameter equal to 100 mm and has 1024 dashes (2 10 ). We also assume that the raster was recorded using a technological complex characterized by an instability factor F equal to, for example, 0.218 μm (relative to the instability factor F, see Kiryanov VP, Kiryanov AV “Improving the metrological characteristics of laser image generators with circular scanning "," Autometry ", 2010, v. 46, No. 5, p. 77-93). This indicator is used to assess the accuracy of the formation of the topology of angle-measuring structures, for example, rasters, scales, limbs, made using this complex. Because instability factor F, the error in the manufacture of the raster δ izg and the diameter of the manufactured raster D are interconnected by the following ratio:

F=2,42⋅δизг⋅D,F = 2,42⋅δ mfd ⋅D,

где δизг - представлена в угловых секундах, а диаметр D - в метрах, то в соответствии с этим выражением при значении параметра F=0,218 мкм погрешность изготовления - δизг растра, диаметром D=100 мм, на данном комплексе не будет превышать 0,9 угл.с.where δ arg - is presented in angular seconds, and the diameter D is in meters, then in accordance with this expression with a value of the parameter F = 0.218 μm, the manufacturing error - δ arr , with a diameter of D = 100 mm, on this complex will not exceed 0, 9 arc.s

Как указывалось выше, при использовании интегрального считывания информации с растра 4 погрешность преобразования будет определяться только остаточным вкладом гармоники с номером 1024. Чтобы оценить количественно вклад гармоники с номером 1024 в результат формирования сигналов на выходах 19 и 20 эталона, воспользуемся характеристиками конкретного технологического комплекса, фактор нестабильности F=0,218 мкм которого был использован для оценки погрешности изготовления растра, а именно лазерного генератора изображений CLWS-300 (выпуска 2001 года). Для этого комплекса на основе обмера погрешностей ряда изготовленных с его помощью растров были получены усредненные данные, касающиеся распределения относительных вкладов q («веса») пространственных гармоник в спектрах кривых погрешности круговых растров и шкал, изготовленных с его помощью. Данные сведены в таблицу 1:As mentioned above, when using integrated reading of information from raster 4, the conversion error will be determined only by the residual contribution of the harmonic with number 1024. To quantify the contribution of the harmonic with number 1024 to the result of the formation of signals at the outputs 19 and 20 of the standard, we use the characteristics of a particular technological complex, factor instability F = 0.218 μm which was used to estimate the error in the manufacture of the raster, namely the laser image generator CLWS-300 (2001 release). For this complex, on the basis of measuring the errors of a number of rasters made using it, averaged data were obtained regarding the distribution of the relative contributions q (“weights”) of spatial harmonics in the spectra of the error curves of circular rasters and scales made with it. The data are summarized in table 1:

Figure 00000003
Figure 00000003

Тогда значение остаточной погрешности δост может быть оценено какThen the value of the residual error δ ost can be estimated as

δост=δ1024=δизг⋅q=0,9⋅0,8⋅10-5=0,00007 угл.с. ost δ = δ = δ mfd 1024 ⋅q = 0,9⋅0,8⋅10 -5 = 0,00007 seconds of arc

На диаметре 100 мм угловому сектору размером 0,7⋅10-5 угл.с, характеризующему пространственную неопределенность каждого из импульсных сигналов, сформированных на выходах 19 и 20 растра 4 (синхронизирующего), соответствует дуга, длина которой соответствует 1,8⋅10-12 м. При скорости вращения растра порядка 0,1 об/с (наиболее часто используемой в стандартах угла) этой дуге соответствует временной интервал, равный 18 нс, который соизмерим и даже меньше длительности фронтов пороговых элементов современных электронных схем в блоках обработки сигналов преобразователя. Т.е. можно ожидать, что реальная пространственная нестабильность положения импульсных сигналов на выходах 18 и 19 при скорости вращения растра 0,1 об/с будет определяться в основном шумами электронных схем и не будет превышать δост=±0,7⋅10-4 угл.с.On a diameter of 100 mm, an angular sector measuring 0.7⋅10 -5 arcsec, characterizing the spatial uncertainty of each of the pulsed signals generated at the outputs 19 and 20 of raster 4 (synchronizing), corresponds to an arc whose length corresponds to 1.8⋅10 - 12 m. At a raster rotation speed of the order of 0.1 r / s (most often used in angle standards), this arc corresponds to a time interval of 18 ns, which is comparable and even shorter than the duration of the fronts of the threshold elements of modern electronic circuits in signal processing units educator. Those. it can be expected that the real spatial instability of the position of the pulsed signals at outputs 18 and 19 at a raster rotation speed of 0.1 r / s will be determined mainly by the noise of electronic circuits and will not exceed δ ost = ± 0.7⋅10 -4 angular s .

Это значение угловой неопределенности сигнала на основном информационном выходе 18 эталона единицы плоского угла является наиболее вероятной оценкой его ожидаемого метрологического качества. Оно, как минимум, на порядок меньше неопределенности действующих в РФ эталонов единицы плоского угла.This value of the angular uncertainty of the signal at the main information output 18 of the standard unit of a flat angle is the most likely estimate of its expected metrological quality. It is, at least, an order of magnitude less than the uncertainty of the standards of a unit of a flat angle in force in the Russian Federation.

Для того чтобы передать с этой точностью требуемые значения углов вторичным эталонам и образцовым рабочим средствам измерений, необходимо иметь технические средства задания любого угла в пределах 360° с такой же неопределенностью, причем как в режиме статических сличений, так и динамических.In order to convey the required angle values to secondary standards and exemplary working measuring instruments with this accuracy, it is necessary to have the technical means of setting any angle within 360 ° with the same uncertainty, both in the mode of static comparisons and dynamic ones.

Для реализации режима статических сличений на рабочей поверхности кварцевого диска нанесен второй растр 5 (интерполирующий), представляющий собой дифракционную решетку с радиальной ориентацией штрихов, информация с которого считывается с помощью специальной системы 13, выполненной в виде дифракционного интерферометра (на фиг. 4 - это элементы 24, 25, 26), работающего с первыми дифракционными порядками 22 и 23 излучения 15, освещающего растр 5. С помощью оптических элементов 24 и 25 выделенные (первые) порядки приводятся к интерференции на рабочей поверхности фотоприемников 26 интерферометра, формирующих квадратурные выходные сигналы 20 интерферометра.To implement the regime of static comparisons, a second raster 5 (interpolating) is applied on the working surface of the quartz disk, which is a diffraction grating with a radial stroke orientation, the information from which is read using a special system 13 made in the form of a diffraction interferometer (in Fig. 4 these are elements 24, 25, 26), working with the first diffraction orders 22 and 23 of the radiation 15, illuminating the raster 5. Using optical elements 24 and 25, the selected (first) orders are reduced to interference on the working erhnosti interferometer photodetectors 26 forming the quadrature outputs of the interferometer 20.

Функциональная схема блока внутришаговой интерполяции 37, используемого для регистрации фазы квадратурных сигналов растра 5 (интерполирующего), представлена на фиг. 5. Она включает в себя процессор 36 и два аналого-цифровых преобразователя (АЦП) (29 и 30), аналоговые входы которых подключены к квадратурным выходам 20 дифракционного интерферометра 13, а цифровые выходы подключены ко входам 33 и 35 процессора 36.The functional diagram of the intra-step interpolation unit 37 used to register the phase of the quadrature signals of the raster 5 (interpolating) is shown in FIG. 5. It includes a processor 36 and two analog-to-digital converters (ADCs) (29 and 30), the analog inputs of which are connected to the quadrature outputs 20 of the diffraction interferometer 13, and the digital outputs are connected to the inputs 33 and 35 of the processor 36.

Система 41 статических сличений произвольных значений угла с эталоном состоит из регистра 31, хранящего код 27 сличаемого угла, реверсивного счетчика 32 штрихов растра 5 (интерполирующего) с блоком 28 формирования счетных импульсов и цифрового компаратора 40. Компаратор 40 имеет два набора цифровых входов 38 и 39. Младшие разряды входов 38 подключены к выходам процессора 36, а старшие - к выходам реверсивного счетчика 32. Выход 43 компаратора 40 представляет собой первый дополнительный информационный выход эталона, передающий факт достижения заданного угла поворота ротора эталона заданного угла и используемый для сличения заданных произвольных значений углов в статическом режиме.The system 41 of static comparisons of arbitrary values of the angle with the reference consists of a register 31 that stores the code 27 of the compared angle, a reverse counter 32 strokes of the raster 5 (interpolating) with the block 28 of the formation of the counting pulses and the digital comparator 40. The comparator 40 has two sets of digital inputs 38 and 39 The lower bits of the inputs 38 are connected to the outputs of the processor 36, and the highest to the outputs of the reversible counter 32. The output 43 of the comparator 40 is the first additional information output of the standard, transmitting the fact of achieving a given angle of rotation of the rotor of the standard of a given angle and used to compare the given arbitrary values of the angles in static mode.

Можно оценить, с каким угловым разрешением могут производиться сличения углов в статическом режиме.It can be estimated with what angular resolution angles can be compared in the static mode.

Пусть второй растр 5 (интерполирующий) нанесен на кварцевом диске 1 на диаметре 105 мм. Штрихи на этом растре нанесены с периодом 1,25 мкм. Всего нанесено штрихов -262 144 (218). В дифракционном интерферометре 13 происходит удвоение числа периодов квадратур по отношению к числу периодов растра, т.е. формируется 219 периодов квадратур на один оборот растра. В блоке внутришаговой интерполяции 37, регистрирующем фазы квадратурных сигналов растра 5 интерполирующего разрешения по фазе, повышается за счет использования арктангенсного алгоритма вычисления фазы квадратур. Число разрешаемых положений по фазе полностью определяется разрядностью используемых АЦП 29 и 30. Если АЦП 29 и 30, например, 16-разрядные, то процессор 36 обеспечит вычисление фазы с разрешением до 2-16, что позволит реализовать разрешение по углу в статическом режиме равным 2-35 (2-(19+16)) от полного оборота или порядка 0,4⋅10-4 угловой секунды. Подобное разрешение вполне однозначно соответствует угловой неопределенности, обеспечиваемой системой на выходах 18 и 19 эталона.Let the second raster 5 (interpolating) is applied to the quartz disk 1 at a diameter of 105 mm. Strokes on this raster are plotted with a period of 1.25 μm. In total, strokes -262 144 (2 18 ) are applied. In the diffraction interferometer 13, the number of quadrature periods doubles with respect to the number of raster periods, i.e. 2 19 quadrature periods per one raster revolution are formed. In the intra-step interpolation unit 37, which records the phases of the quadrature signals of the raster 5 of the interpolating phase resolution, it is increased by using the arc tangent algorithm for calculating the phase of the quadrature. The number of resolved phase positions is completely determined by the bit depth of the used ADCs 29 and 30. If the ADCs 29 and 30, for example, are 16-bit, then the processor 36 will provide a phase calculation with a resolution of up to 2-16 , which will allow to realize the angle resolution in static mode equal to 2 -35 (2 - (19 + 16) ) from a full revolution or about 0.4⋅10 -4 arc seconds. Such a resolution quite clearly corresponds to the angular uncertainty provided by the system at the outputs 18 and 19 of the standard.

2. Однако нетрудно убедиться в том, что второй растр 5 совместно с дифракционным интерферометром 13 можно рассматривать как классический инкрементальный угловой преобразователь с одной считывающей головкой. Известно, что выходной сигнал подобных преобразователей угла подвержен искажающему воздействию многих источников, в т.ч. влиянию эксцентриситета установки растра на оси, биению подшипников оси, неточности формирования топологии измерительного растра преобразователя и т.д. Поэтому для обеспечения возможности использования его в составе эталона единицы плоского угла, обеспечивающего угловую неопределенность на уровне 0,7⋅10-4 угловой секунды, должны быть предусмотрены специальные средства, позволяющие в данном преобразователе скомпенсировать до требуемого уровня искажающий вклад указанных выше причин.2. However, it is not difficult to verify that the second raster 5 together with the diffraction interferometer 13 can be considered as a classic incremental angular transducer with one read head. It is known that the output signal of such angle converters is subject to the distorting effect of many sources, including the influence of the eccentricity of the raster installation on the axis, the runout of the axis bearings, the inaccuracy of the formation of the topology of the measuring raster of the converter, etc. Therefore, to ensure that it can be used as a part of a standard unit of a flat angle, providing angular uncertainty at the level of 0.7⋅10 -4 arc seconds, special means should be provided that allow this converter to compensate for the required level of the distorting contribution of the above reasons.

Для этого в состав эталона единицы плоского угла введена (см. фиг. 6) система 47 самокалибровки растра 5 (интерполирующего), состоящая из системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) (элементы 48, 49, 50, 54 и 56), узла 57 выделения систематической составляющей погрешности растра интерполирующего и блока памяти 58, в котором хранятся данные о погрешности углового положения каждого штриха растра 5 (интерполирующего).For this purpose, a raster 5 self-calibration system (interpolating) 47, consisting of a phase locked loop (PLL) system (elements 48, 49, 50, 54, and 56), a selection unit 57, is introduced (see Fig. 6) into the reference unit of a plane angle unit (see Fig. 6) the systematic component of the error of the raster of the interpolating and the memory block 58, which stores data on the error of the angular position of each stroke of the raster 5 (interpolating).

Система ФАПЧ состоит из фазового детектора 56, счетчиков 49 и 50 с управляемым коэффициентом деления 55 и генератора частоты 48, управляемого напряжением (ГУН) с выхода фазового детектора 56. При этом один вход фазового детектора 56 подключен к выходу счетчика 50 с управляемым коэффициентом деления, а второй - к информационному выходу 19 растра 4 (синхронизирующего). В системе ФАПЧ сигналы на выходе счетчика 50 точно совпадают по частоте и фазе с сигналами на выходе 19 растра синхронизирующего 4. Это позволяет разместить между каждыми соседними импульсами, поступающими с выхода 19, одинаковое число импульсов с выхода ГУН. В данной схеме оно равно коэффициенту деления счетчиков 49, 50. Это число задается кодом 55. Если счетчик с управляемым коэффициентом деления разбить на две части (счетчик 49 и счетчик 50) так, чтобы коэффициент деления счетчика 50 был точно равен отношению числа штрихов растра 5 интерполирующего к числу штрихов растра 4 синхронизирующего, то число импульсов с выхода счетчика 49 точно совпадет с числом штрихов растра 5 (интерполирующего). Но фаза импульсов на выходе счетчика 49 не будет совпадать с фазой импульсов на выходе 20 растра 5 (интерполирующего). Это расхождение регистрируется с помощью детектора 57, на первый вход которого подан сигнал с выхода счетчика 49, на второй вход - с выхода 20 дифракционного интерферометра и третий вход подан сигнал с выхода ГУН. Каждое зарегистрированное расхождение по фазе является мерой неточности положения в пространстве конкретных штрихов растра 5 (интерполирующего). Неточность положения каждого штриха растра 5 интерполирующего можно измерить с высоким разрешением, если в счетчике 49 задать достаточно большой коэффициент деления, например 212, 213, … или 216. Код ошибки пространственного положения каждого штриха растра 5 формируется на выходе счетчика 59, подключенного к выходу детектора 57. Эти коды запоминаются в блоке памяти 58 и считываются с помощью шины данных 60 на вход 34 процессора 36. Соответствие кодов ошибок, снимаемых с выхода счетчика 59, нужному штриху растра 5 устанавливается с помощью счетчика 46, счетный вход которого подключен к выходу 20 растра интерполирующего, а вход «Сброс в 0» - к основному информационному выходу 18 эталона. Выход счетчика 46 формирует сигналы управления адресными шинами блока памяти 58.The PLL system consists of a phase detector 56, counters 49 and 50 with a controlled division coefficient 55 and a frequency controlled voltage generator (VCO) 48 from the output of the phase detector 56. In this case, one input of the phase detector 56 is connected to the output of the counter 50 with a controlled division coefficient, and the second - to the information output 19 of raster 4 (synchronizing). In the PLL system, the signals at the output of the counter 50 exactly coincide in frequency and phase with the signals at the output 19 of the raster synchronizing 4. This allows you to place between each adjacent pulses coming from output 19, the same number of pulses from the output of the VCO. In this scheme, it is equal to the division ratio of counters 49, 50. This number is set by code 55. If the counter with a controlled division ratio is divided into two parts (counter 49 and counter 50) so that the division ratio of counter 50 is exactly equal to the ratio of the number of strokes of raster 5 interpolating to the number of strokes of the raster 4 synchronizing, the number of pulses from the output of the counter 49 will exactly match the number of strokes of the raster 5 (interpolating). But the phase of the pulses at the output of the counter 49 will not coincide with the phase of the pulses at the output 20 of raster 5 (interpolating). This discrepancy is recorded using a detector 57, to the first input of which a signal is supplied from the output of the counter 49, to the second input, from the output 20 of the diffraction interferometer, and the third input is sent from the output of the VCO. Each registered phase difference is a measure of the inaccuracy of the position in space of the specific strokes of raster 5 (interpolating). The inaccuracy of the position of each stroke of the interpolating raster 5 can be measured with high resolution if a sufficiently large division factor is set in counter 49, for example, 2 12 , 2 13 , ..., or 2 16 . The error code of the spatial position of each stroke of the raster 5 is generated at the output of the counter 59 connected to the output of the detector 57. These codes are stored in the memory unit 58 and are read using the data bus 60 to the input 34 of the processor 36. The correspondence of the error codes taken from the output of the counter 59, the desired stroke of the raster 5 is set using the counter 46, the counting input of which is connected to the output 20 of the interpolating raster, and the input "Reset to 0" to the main information output 18 of the standard. The output of the counter 46 generates control signals for the address buses of the memory unit 58.

Можно оценить, с каким угловым разрешением регистрируются отклонения пространственного положения штрихов растра 5 интерполирующего. Пусть счетчик 59 имеет емкость 216, тогда в счетчике 59 регистрируются данные об угловых отклонениях с разрешением до 2-16 от периода квадратур или 2-35 от полного оборота. Последнее точно совпадает с достигнутым разрешением, равным 0,4⋅10-4 угловой секунды, в электронной системе 37 регистрации фазы квадратурных сигналов растра 5.It is possible to evaluate with what angular resolution the deviations of the spatial position of the strokes of the interpolating raster 5 are recorded. Let counter 59 have a capacity of 2 16 , then data on angular deviations are recorded in counter 59 with a resolution of up to 2 -16 from the period of quadratures or 2 -35 from a full revolution. The latter coincides exactly with the achieved resolution equal 0,4⋅10 -4 arcsec, in the electronic system 37 of the raster registration phase quadrature signals 5.

3. Наличие системы ФАПЧ, синхронизируемой сигналами 19 с выхода растра 4, позволяет выполнять операцию сличения углов также и в динамическом режиме, например, с помощью второго цифрового компаратора 53. Для этого по шине данных 44 в регистр 45 передают код угла, на который относительно метки «начало/конец оборота» 3 должен повернуться ротор 2 поворотного стола эталона. Выходы регистра 45 соединены со вторыми входами 52 цифрового компаратора 53, первые входы которого соединены с выходами счетчиков 32, 49 и 50. При этом младшие разряды первого входа цифрового компаратора соединены с выходами счетчиков 49 и 50, а старшие разряды через шину данных 42 - к выходам счетчика 32, регистрирующего число штрихов растра 4 (синхронизирующего). Момент совпадения текущего значения кода угла поворота ротора с заданным в регистре 45 значением угла отмечается появлением сигнала на выходе компаратора 53, который передается на выход 61, представляющий второй дополнительный (динамический) информационный выход эталона.3. The presence of a PLL system, synchronized by the signals 19 from the output of the raster 4, allows you to perform the operation of comparing the angles also in the dynamic mode, for example, using the second digital comparator 53. To do this, the angle code, which marks “start / end of revolution” 3 the rotor 2 of the standard rotary table should turn. The outputs of the register 45 are connected to the second inputs 52 of the digital comparator 53, the first inputs of which are connected to the outputs of the counters 32, 49 and 50. In this case, the least significant bits of the first input of the digital comparator are connected with the outputs of the counters 49 and 50, and the highest bits through the data bus 42 to the outputs of the counter 32, registering the number of strokes of the raster 4 (synchronizing). The moment of coincidence of the current value of the rotor angle code with the angle value specified in the register 45 is marked by the appearance of a signal at the output of the comparator 53, which is transmitted to the output 61, which represents the second additional (dynamic) information output of the standard.

Оценим разрешающую способность измерительной системы предлагаемого эталона единицы плоского угла в динамическом режиме передачи или сличения углов. Пусть, как уже указывалось, второй растр 5 (интерполирующий) нанесен на кварцевом диске 1 на диаметре 105 мм. Штрихи на этом растре нанесены с периодом 1,25 мкм. Всего штрихов - 262144 (218). Коэффициент деления счетчика 50 должен быть установлен равным 28. В счетчике 49 установим коэффициент деления 214. Число импульсов на выходе ГУН 48 за один оборот ротора составит величину, равную 28+14+10=232 (или 4294967296), что соответствует разрешающей способности эталона порядка ≈0,3⋅10-3 угловой секунды. При скорости вращения ротора порядка 0,1 об/с частота сигналов на выходе ГУН 48 составит 429 МГц, что на современной элементной базе микроэлектроники является вполне реализуемым показателем. Однако оцениваемый показатель, характеризующий разрешающую способность измерительной системы предлагаемого эталона единицы плоского угла в динамическом режиме передачи или сличения углов, оказывается на порядок грубее аналогичного показателя в статическом режиме. Однако он на три десятичных порядка точнее, чем аналогичный показатель действующего эталона ГЭТ 94-01.Let us evaluate the resolution of the measuring system of the proposed standard unit of a flat angle in the dynamic mode of transmission or comparison of angles. Let, as already indicated, the second raster 5 (interpolating) is applied to the quartz disk 1 at a diameter of 105 mm. Strokes on this raster are plotted with a period of 1.25 μm. Total strokes - 262144 (2 18 ). The division ratio of the counter 50 should be set equal to 2 8 . In the counter 49 set the division ratio of 2 14 . The number of pulses at the output of the VCO 48 for one revolution of the rotor will be 2 8 + 14 + 10 = 2 32 (or 4294967296), which corresponds to a resolution of the standard of the order of ≈0.3⋅10 -3 arcseconds. At a rotor speed of about 0.1 r / s, the frequency of the signals at the output of the VCO 48 will be 429 MHz, which is a feasible indicator on a modern microelectronic element base. However, the estimated indicator characterizing the resolution of the measuring system of the proposed standard unit of a flat angle in the dynamic mode of transmission or comparison of angles is an order of magnitude coarser than the same indicator in the static mode. However, it is three decimal orders more accurate than the corresponding indicator of the current standard GET 94-01.

Относительно реализуемости предложенных в заявке технических решений.Regarding the feasibility of the technical solutions proposed in the application.

1. Запись в едином технологическом процессе топологических структур предлагаемого эталона на кварцевом диске не представляет серьезных затруднений, т.к. существующие в Институте технологии и оборудование позволяют успешно выпускать прецизионные дифракционные оптические элементы на кварцевых дисках большого диаметра.1. Recording in a single technological process the topological structures of the proposed standard on a quartz disk does not present serious difficulties, because existing technologies and equipment at the Institute allow the successful production of precision diffractive optical elements on large-diameter quartz disks.

2. Повышение разрешающей способности в динамическом режиме измерений за счет применения систем с ФАПЧ давно используется в Институте при создании лазерных генераторов изображений моделей: CLWS-300, КЛЗС, «Видеодиск» и др. В настоящее время в Институте созданы экспериментальные образцы устройств с ФАПЧ с тактовой частотой до 2 ГГц.2. An increase in resolution in the dynamic measurement mode due to the use of PLL systems has long been used at the Institute for creating laser image generators of the models: CLWS-300, KLZS, Videodisk, etc. Currently, experimental models of PLL devices with clock frequency up to 2 GHz.

3. Использование таких специфических средств, как оптические интерферометры, практикуется в Институте уже несколько десятилетий, начиная с конца шестидесятых годов.3. The use of specific tools such as optical interferometers has been practiced at the Institute for several decades, beginning in the late sixties.

Все это указывает на реализуемость в РФ предлагаемых технических решений для создания эталона единицы плоского угла нового поколения.All this indicates the feasibility in the Russian Federation of the proposed technical solutions for creating a standard of a new-generation flat-angle unit.

Claims (3)

1. Эталон единицы плоского угла, содержащий закрепленный на роторе шпиндельного узла эталона прозрачный кварцевый диск, на рабочей поверхности которого последовательно в направлении от центра диска к периферии нанесены структуры эталона: метка «начало/конец оборота», первый растр (синхронизирующий) и второй растр (интерполирующий); систему самокалибровки второго растра (интерполирующего) и систему сличений произвольных углов в динамическом режиме работы эталона, при этом под кварцевым диском установлены: осветитель метки «начало/конец оборота», кольцевой осветитель первого растра (синхронизирующего) и осветитель второго растра (интерполирующего), над кварцевым диском установлены: диск индикаторный, фотоприемник метки «начало/конец оборота», два фотоприемника первого растра (синхронизирующего), и система считывания данных со второго растра (интерполирующего), при этом выход фотоприемника метки «начало/конец оборота» соединен с первым входом формирователя первого информационного выхода эталона единицы плоского угла, а выходы двух фотоприемников первого растра соединены со входами формирователя второго информационного выхода эталона, соединенного также со вторым входом формирователя первого информационного выхода эталона, кроме того, на рабочей поверхности диска индикаторного нанесены: структура, сопрягаемая со структурой метки «начало/конец оборота», и две кольцевые структуры, образующие с первым растром (синхронизирующим) два растровых сопряжения обтюрационного типа, сдвинутые по фазе относительно друг друга на 180°, причем в окнах кольцевых структур диска индикаторного нанесены сегменты внеосевых линз Френеля, фокусирующих излучение, проходящее через эти окна, на соответствующие фотоприемники первого растра (синхронизирующего); второй растр (интерполирующий) выполнен в виде дифракционной решетки с радиальной ориентацией штрихов, а система считывания информации со второго растра (интерполирующего) выполнена, соответственно, в виде дифракционного интерферометра, выделяющего первые дифракционные порядки излучения, освещающего второй растр (интерполирующий), которые с помощью оптических элементов приводятся к интерференции на рабочей поверхности фотоприемников интерферометра, формирующих квадратурные выходные сигналы интерферометра, используемые в системе сличений произвольных углов в статическом режиме работы эталона единицы плоского угла, состоящей из первого цифрового компаратора, счетчика штрихов второго растра (интерполирующего) и блока внутришаговой интерполяции, содержащего процессор и два аналого-цифровых преобразователя, подключенных к выходам системы считывания данных со второго растра (интерполирующего), при этом выходы аналого-цифровых преобразователей подключены ко входам процессора, вычисляющего фазу выходных сигналов дифракционного интерферометра, а выходы процессора подключены к первым входам младших разрядов первого цифрового компаратора, первые входы старших разрядов которого подключены к выходам счетчика штрихов второго растра (интерполирующего), а вторые входы первого цифрового компаратора подключены к выходам регистра, хранящего код угла поворота ротора шпинделя, задаваемого в ходе процедуры сличения углов, при этом выход первого цифрового компаратора является первым дополнительным информационным выходом эталона, используемым для сличений углов в статическом режиме.1. The standard of a unit of a flat angle, containing a transparent quartz disk mounted on the rotor of the standard spindle assembly, on the working surface of which the structure of the standard is sequentially applied in the direction from the center of the disk to the periphery: start / end mark, first raster (synchronizing) and second raster (interpolating); the self-calibration system of the second raster (interpolating) and the system of comparisons of arbitrary angles in the dynamic mode of operation of the standard, while under the quartz disk there are installed: a “start / end of turn” mark illuminator, a ring raster of the first raster (synchronizing) and a illuminator of the second raster (interpolating), above quartz disk installed: indicator disk, photodetector labels "start / end of revolution", two photodetectors of the first raster (synchronizing), and a system for reading data from the second raster (interpolating), etc. the output of the photodetector of the “start / end of revolution” label is connected to the first input of the former of the first information output of the standard unit of a flat angle, and the outputs of two photodetectors of the first raster are connected to the inputs of the former of the second information output of the standard, also connected to the second input of the former Moreover, on the working surface of the indicator disk are applied: a structure mating with the structure of the “start / end of revolution” label, and two ring structures forming the first raster (synchronizing) two obturation-type raster conjunctions 180 ° out of phase with each other, and in the windows of the ring structures of the indicator disk, segments of off-axis Fresnel lenses are applied, focusing the radiation passing through these windows to the corresponding photodetectors of the first raster (synchronizing) ; the second raster (interpolating) is made in the form of a diffraction grating with a radial orientation of the strokes, and the system for reading information from the second raster (interpolating) is made, respectively, in the form of a diffraction interferometer that selects the first diffraction orders of radiation illuminating the second raster (interpolating), which using optical elements lead to interference on the working surface of the photodetectors of the interferometer, forming the quadrature output signals of the interferometer used in the system with of arbitrary angles in the static mode of operation of a standard unit of a flat angle, consisting of a first digital comparator, a stroke counter of the second raster (interpolating) and an intra-step interpolation block containing a processor and two analog-to-digital converters connected to the outputs of the data reading system from the second raster (interpolating ), while the outputs of the analog-to-digital converters are connected to the inputs of the processor, which calculates the phase of the output signals of the diffraction interferometer, and the outputs of the processor connected to the first inputs of the least significant bits of the first digital comparator, the first inputs of the highest bits of which are connected to the outputs of the stroke counter of the second raster (interpolating), and the second inputs of the first digital comparator are connected to the outputs of the register that stores the code of the angle of rotation of the spindle rotor specified during the comparison of angles the output of the first digital comparator is the first additional information output of the standard used for angle comparisons in the static mode. 2. Система самокалибровки второго растра (интерполирующего), встроенная в состав эталона единицы плоского угла и состоящая из узла фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), узла выделения систематической составляющей погрешности растра интерполирующего и блока памяти, в котором хранятся данные о погрешности углового положения каждого штриха растра интерполирующего, при этом адресные шины блока памяти соединены с выходами счетчика штрихов второго растра (интерполирующего), первый вход фазового детектора ФАПЧ соединен с втором информационным выходом эталона, а второй - с выходом переносов счетчика с управляемым коэффициентом деления, причем значение коэффициента деления счетчика устанавливается кратным отношению числа штрихов второго растра (интерполирующего) к числу штрихов первого растра (синхронизирующего).2. The self-calibration system of the second raster (interpolating), built into the standard unit of a flat angle and consisting of a phase-locked loop (PLL), a node for extracting the systematic component of the error of the interpolating raster and a memory unit, which stores data on the error of the angular position of each raster stroke interpolating, while the address buses of the memory block are connected to the outputs of the stroke counter of the second raster (interpolating), the first input of the PLL phase detector is connected to the second information the standard output, and the second with the output of the counter transfers with a controlled division ratio, and the value of the counter division coefficient is set as a multiple of the ratio of the number of strokes of the second raster (interpolating) to the number of strokes of the first raster (synchronizing). 3. Система сличений произвольных углов в динамическом режиме работы эталона единицы плоского угла, встроенная в состав эталона единицы плоского угла, содержащая второй цифровой компаратор, первые входы младших разрядов которого подключены к выходам счетчика с управляемым коэффициентом деления, а первые входы его старших разрядов подключены к выходам счетчика штрихов первого растра (синхронизирующего), причем вторые входы цифрового компаратора подключены к выходам регистра, хранящего код выделяемого в ходе процедуры сличения угла поворота ротора шпинделя, при этом выход второго цифрового компаратора является вторым дополнительным информационным выходом эталона, используемым для сличений в динамическом режиме.3. A system of comparisons of arbitrary angles in the dynamic mode of operation of a standard unit of a flat angle, built into the standard unit of a flat angle, containing a second digital comparator, the first inputs of the least significant bits of which are connected to the outputs of the counter with a controlled division factor, and the first inputs of its most significant bits are connected to the outputs of the stroke counter of the first raster (synchronizing), and the second inputs of the digital comparator are connected to the outputs of the register that stores the code allocated during the comparison of the rotation angle the spindle rotor rotor, and the output of the second digital comparator is the second additional information output of the standard used for comparisons in dynamic mode.
RU2016137715A 2016-09-21 2016-09-21 Standard of unit of straight angle RU2637727C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016137715A RU2637727C1 (en) 2016-09-21 2016-09-21 Standard of unit of straight angle

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016137715A RU2637727C1 (en) 2016-09-21 2016-09-21 Standard of unit of straight angle

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2637727C1 true RU2637727C1 (en) 2017-12-06

Family

ID=60581351

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016137715A RU2637727C1 (en) 2016-09-21 2016-09-21 Standard of unit of straight angle

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2637727C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2782353C1 (en) * 2021-06-02 2022-10-26 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН) Method for angular measurements

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU578649A1 (en) * 1973-10-05 1977-10-30 Ленинградский Ордена Ленина Политехнический Институт Им.М.И.Калинина Method of making a standard for testing rotation angle transducer
SU769451A1 (en) * 1978-10-30 1980-10-07 Предприятие П/Я А-1742 High-frequency measure of phase shift angle
EP0050195B1 (en) * 1980-10-18 1989-02-01 Dr. Johannes Heidenhain GmbH Device for the selection of reference marks at incremental length or angle measuring devices
JP2007271350A (en) * 2006-03-30 2007-10-18 Fujifilm Corp Reference planar setting method for planar representation type display, and visibility angle measuring method
RU2332638C1 (en) * 2006-11-14 2008-08-27 Валерий Анатольевич Грановский Multivalue holographic plane angle measure
RU2377499C2 (en) * 2007-11-08 2009-12-27 Валерий Анатольевич Грановский Method of calibration of groups of gauges of flat angle with summary range of scales not less 360°

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU578649A1 (en) * 1973-10-05 1977-10-30 Ленинградский Ордена Ленина Политехнический Институт Им.М.И.Калинина Method of making a standard for testing rotation angle transducer
SU769451A1 (en) * 1978-10-30 1980-10-07 Предприятие П/Я А-1742 High-frequency measure of phase shift angle
EP0050195B1 (en) * 1980-10-18 1989-02-01 Dr. Johannes Heidenhain GmbH Device for the selection of reference marks at incremental length or angle measuring devices
JP2007271350A (en) * 2006-03-30 2007-10-18 Fujifilm Corp Reference planar setting method for planar representation type display, and visibility angle measuring method
RU2332638C1 (en) * 2006-11-14 2008-08-27 Валерий Анатольевич Грановский Multivalue holographic plane angle measure
RU2377499C2 (en) * 2007-11-08 2009-12-27 Валерий Анатольевич Грановский Method of calibration of groups of gauges of flat angle with summary range of scales not less 360°

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ГЭТ 22-2014 "Государственный первичный эталон единицы плоского угла" (ФГУП "ВНИИМ им. Д.И.Менделеева") 31.07.2015. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2782353C1 (en) * 2021-06-02 2022-10-26 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН) Method for angular measurements
RU2790074C1 (en) * 2022-05-30 2023-02-14 Акционерное общество "Научно-производственный центр автоматики и приборостроения имени академика Н.А. Пилюгина" (АО "НПЦАП") Method for checking the errors of the rotary table scale

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4518859A (en) Angle measuring device with line sensor
CN103063189B (en) Goniometer verification method based on optical lever
CN105229424B (en) Method for self-calibrating a rotary encoder
Chen et al. Laser autocollimation based on an optical frequency comb for absolute angular position measurement
Just et al. Comparison of angle standards with the aid of a high-resolution angle encoder
CN206773000U (en) Twin shaft speed position turntable angular speed calibrating installation
CN106468544A (en) Satellite high-precision angle-measuring method based on photoelectric auto-collimator
CN109990713B (en) High-resolution phase detection method based on planar grating laser interferometer
JPS60170710A (en) Correcting device for error in measured angle
JP2011247747A (en) Encoder calibration device
Jia et al. Small-sized visual angular displacement measurement technology
RU2637727C1 (en) Standard of unit of straight angle
JP2016014574A (en) Absolute encoder
RU2377498C2 (en) Optical-mechanical angle gauge of rotary type with optical indicator on base of multi-value measure and with photo-electron recorder
CN204807051U (en) Satellite outer corner measurement appearance based on two dimension PSD
CN110375788A (en) The orthogonal differential wave demodulation instrument calibration method in four tunnels of one kind and system
RU200017U1 (en) HIGH PRECISION SPINDLE ASSEMBLY FOR ANGULAR COMPARATOR
CN107192843B (en) A kind of low speed speed precision detection method of high precision turntable
JP3685944B2 (en) Encoder device high accuracy method and high accuracy encoder device
Cheng et al. Visual encoder-based angle measurement method in low-frequency angular vibration calibration
Yan et al. A calibration scheme with combination of the optical shaft encoder and laser triangulation sensor for low-frequency angular acceleration rotary table
Yu et al. A novel self-correction method for linear displacement measurement based on 2-D synthesis mechanism
JPS61112914A (en) Angle measuring device particularly for geodetic instrument
CN111595271B (en) Calibration method and device of angle measuring equipment
RU180721U1 (en) PHOTOELECTRIC ANGULAR CONVERTER