測(cè)速天幕靶幕面空間位置檢測(cè)方法

仵 陽,武志超,倪晉平

(西安工業(yè)大學(xué) 陜西省光電測(cè)試與儀器技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710032)

引言

天幕靶[1]是用來獲取飛行物體通過空間特定平面時(shí)刻信息、并實(shí)時(shí)給出相應(yīng)信號(hào)的光學(xué)儀器。該儀器采用光電轉(zhuǎn)換原理，實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，測(cè)量結(jié)果不受彈丸材質(zhì)的影響，與其他原理的同類儀器相比，具有測(cè)量精度高、裝置輕便、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)[2-4]。目前，天幕靶的應(yīng)用領(lǐng)域涉及致命與非致命兵器的研制和生產(chǎn)以及防彈器材和航空材料研制等領(lǐng)域[5-6]。天幕靶在使用中易受到人工搬運(yùn)、炮口沖擊波引起震動(dòng)等外界因素的影響，其光機(jī)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生變形和電路參數(shù)變化，進(jìn)而影響儀器的最終測(cè)試精度和靈敏度等性能指標(biāo)。因此，使用的天幕靶需要定期檢定?，F(xiàn)行的檢定方法是依據(jù)中國兵器工業(yè)總公司于1998年發(fā)布的天幕靶檢定規(guī)程，該檢定規(guī)程中規(guī)定了12條項(xiàng)目詳細(xì)的檢定方法[7]。隨著天幕靶使用數(shù)量的上升，檢定工作也隨之面臨著基數(shù)大、檢定周期頻繁的難題，尤其是現(xiàn)行的檢定方法均需拆卸天幕靶，非制造方的人員拆卸困難較大，為檢定帶來了極大的不便，同時(shí)拆卸中會(huì)增加儀器損壞的可能性。本文針對(duì)不拆卸天幕靶開展檢定的需求，提出了一種不拆卸天幕靶對(duì)幕面參數(shù)檢測(cè)的方法。

1 天幕靶幕面參數(shù)檢測(cè)原理

測(cè)速天幕靶需檢定的幕面位置參數(shù)包括天幕面對(duì)水平面的垂直度和天幕面對(duì)通過水平軸的鉛垂面的垂直度，這2個(gè)參數(shù)均是通過檢測(cè)天幕面和基準(zhǔn)面的偏差度來得到的，如圖1中(a)、(b)所示。

圖1 天幕靶幕面空間位置檢定裝置示意圖Fig.1 Sky screen spatial location prover

在天花板和側(cè)墻上相距一定距離處安裝4個(gè)頻閃光源，利用經(jīng)緯儀將4個(gè)小光源安裝在同一個(gè)豎直平面內(nèi)，并保證此豎直平面與水平面嚴(yán)格垂直，定義該平面為基準(zhǔn)面；把小光源所在的垂直于基準(zhǔn)面的平面定義為測(cè)量平面；測(cè)量平面與天幕靶鏡頭主點(diǎn)的垂直距離為H。

每個(gè)光源安裝底座上安裝有2個(gè)直徑為1 mm的頻閃光源[8-9]，如圖中光源A和光源B、光源C和光源D；用經(jīng)緯儀精密裝調(diào)，確保天花板與側(cè)墻上的4個(gè)光源安裝在同一豎直平面內(nèi)，精確建立基準(zhǔn)面，為放置天幕靶設(shè)置參考線；計(jì)算機(jī)控制光源控制裝置，驅(qū)動(dòng)頻閃小光源按照要求的信號(hào)發(fā)光，并控制其開啟或停止；示波器設(shè)置天幕靶輸出信號(hào)閾值；一維平移臺(tái)帶動(dòng)天幕靶實(shí)現(xiàn)其沿基準(zhǔn)面垂直方向的平移；在天幕靶移動(dòng)過程中，當(dāng)天幕靶有信號(hào)輸出時(shí)，用游標(biāo)卡尺讀取天幕靶此時(shí)相對(duì)基準(zhǔn)面的移動(dòng)位移；激光測(cè)距儀可測(cè)得光源所在平面距天幕靶鏡頭主點(diǎn)的垂直距離；平移臺(tái)放置底座可用于調(diào)節(jié)天幕靶距地面高度。

以檢測(cè)天幕面對(duì)水平面的垂直度為例，放置天幕靶使天幕面位置標(biāo)志線與基準(zhǔn)面重合。天幕面與基準(zhǔn)面在測(cè)量平面投影時(shí)的關(guān)系會(huì)出現(xiàn)3種不同的情況，如圖2所示。圖2中A、B為直徑1 mm的頻閃光源，矩形為天幕面在測(cè)量面上投影的光幕條，該光幕條是假想存在的一個(gè)區(qū)域。當(dāng)頻閃小光源進(jìn)入天幕靶探測(cè)視場(chǎng)時(shí)，光通量的改變會(huì)引起天幕靶光電轉(zhuǎn)換器件的光電流發(fā)生改變，此時(shí)，天幕靶有信號(hào)輸出。通過平移臺(tái)使天幕靶水平平移，分別記錄天幕靶有無輸出信號(hào)時(shí)天幕靶相對(duì)基準(zhǔn)面的移動(dòng)距離，就可以判定光幕條在測(cè)量面上的投影位置。

圖2 天幕面與基準(zhǔn)面在測(cè)量面的3種投影位置關(guān)系Fig.2 Relative position of sky screen and datum plane on measurement plane

一維平移平臺(tái)帶動(dòng)天幕靶沿基準(zhǔn)面垂直方向平移，使得測(cè)量面上的光幕條也隨之水平平移，當(dāng)光源A、B進(jìn)入天幕靶視場(chǎng)時(shí)，通過游標(biāo)卡尺可精確測(cè)量出天幕靶有無輸出信號(hào)時(shí)的位置距離，即光源進(jìn)入和離開天幕靶視場(chǎng)所移動(dòng)的距離LA1、LA2、LB1、LB2。以第3種幕面位置為例，如圖3所示，根據(jù) (1) 式和 (2) 式即可計(jì)算出LA和LB。

(1)

(2)

由于天幕靶始終沿A、B投影的中垂線移動(dòng)，因此O為AB中點(diǎn)，O′為MN中點(diǎn)。天幕面與基準(zhǔn)面在測(cè)量面上的投影位置關(guān)系如圖3所示，可得出天幕面與基準(zhǔn)面的中心線的偏差OO′。

(3)

天幕面與基準(zhǔn)面的空間位置如圖4所示，可得出天幕面與水平面的偏差角度

(4)

式中：β為天幕面與水平面的垂直度誤差；H為測(cè)量面距鏡頭主點(diǎn)的垂直距離。

在對(duì)天幕面對(duì)通過水平軸的鉛垂面的垂直度進(jìn)行檢定時(shí)，熄滅A、B光源，開啟C、D光源，將天幕靶鏡頭旋轉(zhuǎn)90°朝向側(cè)墻，使用上述方法即可檢測(cè)。

圖3 天幕面與基準(zhǔn)面在測(cè)量平面上的投影Fig.3 Sky screen and datum plane projected on measurement plane

圖4 天幕面與基準(zhǔn)面空間位置示意圖Fig.4 Spatial location of sky screen and datum plane

2 精度分析

根據(jù)誤差傳遞公式，對(duì)天幕面偏差角度測(cè)量公式(4)全微分，可得到天幕面偏差角度測(cè)量誤差與各觀測(cè)值誤差間的關(guān)系

(5)

式中：ΔH和ΔL分別為A、B光源所在水平面與天幕靶鏡頭主點(diǎn)之間的垂直距離測(cè)量誤差和天幕靶移動(dòng)距離的測(cè)量誤差[10-11]。

1) 光源所在水平面與天幕靶鏡頭主點(diǎn)之間的垂直距離測(cè)量誤差

光源與天幕靶的垂直距離指的是基準(zhǔn)面內(nèi)2個(gè)光源所在水平面與天幕靶鏡頭主點(diǎn)之間的距離，測(cè)量采用高精度的激光測(cè)距儀。由激光測(cè)距儀自身精度可知，3 m距離測(cè)距所帶來的誤差在1 mm以內(nèi)，加上人員誤差0.5 mm，ΔH=1.5 mm。

2) 天幕靶移動(dòng)距離的測(cè)量誤差

通過一維平移臺(tái)帶動(dòng)天幕靶沿基準(zhǔn)面垂直方向平移，并保證天幕靶始終沿光源A、B地面投影中垂線移動(dòng)。引起天幕靶移動(dòng)距離測(cè)量誤差ΔL的主要原因可歸納為以下幾點(diǎn)：

a) 基準(zhǔn)面建立所帶來的誤差

基準(zhǔn)面是指確定的光源A、B、C、D所在平面，并且為了提高精度，通過使用經(jīng)緯儀的30X望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行標(biāo)定，使得基準(zhǔn)面與水平面嚴(yán)格垂直。經(jīng)緯儀自身精度2″，帶入距離誤差ΔL1=2 219×tan(±2″)=±0.215 mm；

b) 一維高精度平移臺(tái)重復(fù)定位精度ΔL2=±0.003 mm；

c) 平移臺(tái)移動(dòng)距離誤差

由測(cè)量面上的天幕面寬度可知，平移臺(tái)移動(dòng)距離在L=100 mm以內(nèi)，誤差ΔL3=0.02 mm；平移臺(tái)水平方向的x和y軸夾角誤差各為4″，垂直基準(zhǔn)面移動(dòng)方向的夾角誤差為4″，換算成距離的誤差為100-100×cos4″=1.88×10-7mm，可以忽略；

d) 根據(jù)《通用卡尺檢定規(guī)程》JJG30-2002[12]，游標(biāo)卡尺精度為0.02 mm，從而游標(biāo)卡尺測(cè)量帶來的誤差為ΔL4=±0.02 mm；

e) 旋轉(zhuǎn)一維平移臺(tái)手柄移動(dòng)天幕靶時(shí)，人為反應(yīng)延滯時(shí)間所帶來的距離誤差ΔL5=±0.25 mm(一維平移臺(tái)螺桿導(dǎo)程為5 mm)；

綜上所述，天幕靶移動(dòng)距離的測(cè)量誤差ΔL為

(6)

3) 精度計(jì)算

A、B光源所在水平面與天幕靶鏡頭主點(diǎn)之間的垂直距離H=2 219 mm，一維平移臺(tái)行程為L=0～400 mm，ΔH與ΔL已知。取天幕靶移動(dòng)的極值，結(jié)合公式(6)可得天幕面與基準(zhǔn)面偏移角度Δα。

若L=400 mm時(shí)，H=2 219 mm，ΔH=1.5 mm，ΔL=0.508 mm，Δβ=0.000 107 rad=0.368′<1′；

若L=0時(shí)，H=2 219 mm，ΔH=1.5 mm，ΔL=0.508 mm，Δβ=0.000 228 rad=0.784′<1′。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

采用幕面空間參數(shù)檢定方案進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，將實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)與理論分析結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，最終確定天幕靶幕面位置檢定裝置的測(cè)量精度。調(diào)平天幕靶，使天幕靶幕面標(biāo)志線與基準(zhǔn)面重合，此時(shí)光幕面所在位置定為基準(zhǔn)位置0′。α為天幕靶殼體傾斜角度；β0為天幕面位于基準(zhǔn)位置(α=0′)時(shí)天幕面與基準(zhǔn)面間的偏移角度；β為天幕靶從基準(zhǔn)位置傾斜α?xí)r所測(cè)得的天幕面與基準(zhǔn)面間的偏移角度；β0-α為當(dāng)天幕靶殼體傾斜α角時(shí)天幕面與基準(zhǔn)面間的理論偏移角度。

A和B光源所在平面距天幕靶鏡頭主點(diǎn)的距離為H0=2 219 mm，C和D光源所在平面距天幕靶鏡頭主點(diǎn)的距離為H1=1 998 mm。讓天幕面從基準(zhǔn)位置0′處傾斜2′、-2′、-5′，每種情況下，記錄天幕靶緩慢移動(dòng)通過光源A和B時(shí)，有信號(hào)輸出位置的移動(dòng)距離。如此每組反復(fù)測(cè)量4次，取平均值，得到LA1、LA2、LB1、LB2。根據(jù) (1) 式和(2)式，計(jì)算出LA與LB，進(jìn)而得到其所對(duì)應(yīng)天幕面對(duì)水平面的垂直度的偏差角度，如表1所示。同理，可得到天幕面對(duì)通過水平軸的鉛錘面的垂直度的偏差角度，如表2所示。

表1 天幕面對(duì)水平面的垂直度

表2 天幕面對(duì)通過水平軸的鉛錘面的垂直度

4 結(jié)論

本文提出了一種不拆卸天幕靶對(duì)其幕面空間位置參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)的方法。在基準(zhǔn)面內(nèi)安裝特制頻閃小光源，采用設(shè)定天幕靶輸出閾值的方式，根據(jù)小光源作用在天幕靶上有信號(hào)輸出時(shí)天幕靶相對(duì)基準(zhǔn)面移動(dòng)距離的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)天幕靶幕面空間位置參數(shù)的檢測(cè)。該檢定方法彌補(bǔ)了以往天幕靶檢測(cè)時(shí)需拆卸天幕靶的不足，確保天幕靶設(shè)備完整性與穩(wěn)定性，節(jié)省了檢測(cè)時(shí)間，試驗(yàn)結(jié)果表明該檢測(cè)方法精度優(yōu)于±1′。

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