Перейти к содержанию
Исаев Михаил

Прямолинейность и струна - пределы достижимого

Рекомендуемые сообщения

Среди всех срособов измерения прямолинейности через сравнение с образцом измерение по струне занимает особое место, по моему мнению. Особость в том, что натянутая струна в силу своих внутренних свойств порождает прямолинейность, в горизонтальном направлении, поперёк действия силы тяжести, вообще близкую к абсолюту, а в вертикальном направлении образует хорошо просчитываемую параболу с малой кривизной и высокой точностью формы.

Вместе с тем, в руководствах указывается довольно скромный предел точности измерений по струне, в лучшем случае около 0,02 мм. Почему так? Ведь вполне очевидно, что качественная струна, не имеющая изломов, достаточно прямая в свободном состоянии, будучи натянута, должна приобрести прямолинейность с субмикронной точностью, особенно поперёк действия силы тяжести.

Причина, насколько я понимаю, в самом методе измерения, а точнее, в приборе, которым ведётся измерение, в микроскопе. Именно применение микроскопа, как ни странно, накладывает ограничения.

С чем большей точностью и разрешением мы пытаемся определить отклонение, тем более высокократную оптику нужно использовать, тем меньше поле зрения и глубина, тем труднее настроится на край струны, и т.д. И наконец, мы упираемся в волновые ограничения при попытке субмикронных измерений, преодолеть эти ограничения для изображающей, или, как пишут американцы, геометрической оптики, невозможно физически. В числе прочего, эти оптические системы дороги, малодоступны, и самостоятельно не изготовимы.

А возможно ли обойти зти ограничения? Да, возможно, если отказаться от изображающей оптики и использовать ... тень. 

Предлагаемая система состоит из собственно струны, натянутой на раме с опорными стержнями (желательно строго параллельными для упрощения измерений), на которые ложится струна и проверяемая линейка,  вспомогательной каретки с пружинным подвесом датчика, и собственно датчика из сдвоенного фототранзистора от шариковой мыши (датчик энкодеров), ИК-светодиода от неё же, двух резисторов, образующих мост с транзисторами, и токозадающего резистора светодиода. Кроме того, нужен источник питания напряжением от 4 до 9 вольт, и тестер-мультиметр. В качестве струны можно использовать леску диаметром 0,4-0,6 мм или нейлоновую гитарную струну, самую тонкую, нижнюю. Диаметр струны обусловлен размером площадок фотоприёмника, оптимально примерно равен поперечному размеру площадки фототранзистора. В этом случае мост имеет наилучшую чувствительность и линейность. Выбор размеров ограничен размером светочувствительных элементов, для имеющихся параметров остаётся подобрать номинал резисторов моста и ток светодиода, на своём макете поставил 7,5 кОм для моста и 510 Ом для светодиода при 6 V напряжении питания. Расстояние между светодиодом и фотоприёмником 7,5 мм. В этом случае напряжение на плечах моста примерно равно половине напряжения питания. Чувствительность примерно равна 10 mV на 1 микрон, то-есть единица младшего разряда на пределе 200 mV соответствует 10 нанометрам смещения.

При малом отклонении от среднего положения, то есть нулевого напряжения в диагонали моста, линейность оказывается достаточной для простого измерения напряжения в диагонали, что достаточно для измерения смещения в 0,1-0,05 мм с хорошей точностью и линейностью.

На приложенном рисунке изображена примерная компоновка измерительной системы.

Такая простая и дешевая система с ничтожными затратами позволяет фиксировать отклонения в несколько десятков нанометров и практически идеальна по отношению затраты/результат.

проба7-2.PNG

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение

Второй вариант компоновки, пригодный для проверки плит, с опорой струны и плиты на разные стороны штифтов.

проба7-1.PNG

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
23 часа назад, Исаев Михаил сказал:

Вместе с тем, в руководствах указывается довольно скромный предел точности измерений по струне, в лучшем случае около 0,02 мм. Почему так? Ведь вполне очевидно, что качественная струна, не имеющая изломов, достаточно прямая в свободном состоянии, будучи натянута, должна приобрести прямолинейность с субмикронной точностью, особенно поперёк действия силы тяжести.

1. Допуск на диаметр и локальное отклонение от прямолинейности оси струны как раз и определяют нижний предел измерения.

2. Определение прямолинейности по лазерному лучу гораздо точнее и проще. Есть ли смысл возиться со струной?

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
48 минут назад, Игорь+ сказал:

1. Допуск на диаметр и локальное отклонение от прямолинейности оси струны как раз и определяют нижний предел измерения.

Разность диаметра порядка 0,02 мм? Мы об одном говорим? Или вы о бельевой верёвке? Возьмите микрометр и промерьте хотя-бы рыболовну. леску. И даже при отклонении диаметра от номинала откуда возьмётся отклоненте оси струны?

55 минут назад, Игорь+ сказал:

2. Определение прямолинейности по лазерному лучу гораздо точнее и проще. Есть ли смысл возиться со струной?

Абсолютно голословное утверждение. Приведите пример оптической схемы и физическое обоснование. И да, там не должно быть линз, зеркал, интерферометров и опорных образцовых поверхностей, чтобы было проще.

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
В 06.05.2020 в 20:16, Исаев Михаил сказал:

Ведь вполне очевидно, что качественная струна, не имеющая изломов, достаточно прямая в свободном состоянии, будучи натянута, должна приобрести прямолинейность с субмикронной точностью, особенно поперёк действия силы тяжести.

Качественная струна была смотана в моток или на катушку. Покопаетесь в литературе, найдете рассчеты для определения остаточной непрямолинейности при растягивании в зависимости от диаметра струны, диаметра скрутки, усилия натяжения и т.п. Еще одну причину указал Игорь+. И их еще есть.

2 минуты назад, Исаев Михаил сказал:

И даже при отклонении диаметра от номинала откуда возьмётся отклоненте оси струны?

А што, нейтральная линия каждого сечения гарантированно будет на геометрической прямой, в коей некоторые хотят видеть ось струны?

 

А вообще, где вы вычитали про 0,02 мм?

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Дата: (изменено)

Если уж задействовать тень от струны и оптику, не проще тогда пустить лазерный луч, обрезанный диафрагмой (расхождение или вывести в ноль, или измерить и построить условный конус) и играть с его детектированием? Диафрагма и ccd линейка после неё, просто фотоприёмник с диафрагмой, ещё какой-нибудь метод, уменьшающий всякие дифракционные эффекты?

Детектор естественно должен представлять собой эту самую линейку на трёхточечном основании с микро(субмикро)метрической регулировкой по высоте. В простом варианте отсчёт вести по принципу "детектировали луч\не детектировали, в месте детектирования сняли отсчёт (с lvdt например)",  в более сложном по сигналу с ccd, сообразно её размерам. Теневой микрометр короче..

 

Тогда повесив источник лазера на вертикальный подвес\гироплатформу\поворотную башню вы даже не прямую линию, а эталонную плоскость построите.. 

Изменено пользователем Zoraccer

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Дата: (изменено)
30 минут назад, Пронька Грезной сказал:

Качественная струна была смотана в моток или на катушку.

Возьмите в руки гитарную струну и посмотрите на живом примере. Цена вопроса 50 руб максимум. Наводите критику с опорой на практику,

30 минут назад, Пронька Грезной сказал:

А вообще, где вы вычитали про 0,02 мм?

В интернете, вестимо. Скан с советской книги, попробую найти, копировал куда-то.

Вот

222193168086116092213075163075226179107107026152.thumb.png.b64c3afb445888a95a7b0595d5749784.png

12 минут назад, Zoraccer сказал:

Если уж задействовать тень от струны и оптику, не проще тогда пустить лазерный луч, обрезанный диафрагмой (расхождение или вывести в ноль, или измерить и построить условный конус) и играть с его детектированием? Диафрагма и ccd линейка после неё, просто фотоприёмник с диафрагмой, ещё какой-нибудь метод, уменьшающи

Пример схемы, пжлста! И да, там не должно быть линз, зеркал, интерферометров и опорных образцовых поверхностей, чтобы было проще.

Изменено пользователем Исаев Михаил

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение

Какова конечная цель изысканий? Какую точность нужно получить?

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение

А зачем такие извращения если есть автоколлиматор.

Самопроизвольные неконтролируемые колебания струны учтены в расчётах, точно не помню но где-то почерпнул что натянутая струна никогда не остаётся неподвижной. 

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение

Ещё можно заморочиться с детектированием зазора через анализ прохождения по металлической струне волн высокочастотных электрических колебаний. 
Убеждён, что есть просроченные патенты на эту СВЧ тему, которые так и остались невостребованными по ряду жутко сложных и замысловатых в своей неожиданности, причин.

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Дата: (изменено)
25 минут назад, Ришат116 сказал:

Какова конечная цель изысканий? Какую точность нужно получить?

Ну вы первый пост прочтите, как ещё пояснить? Очень дешевое и простое в реализации, сверхмалобюджетное устройство с весьма высокими параметрами проверки прямолинейности с цифровым, количественным показанием результата, а не "лезет - не лезет", видно просвет или нет.

В 06.05.2020 в 21:16, Исаев Михаил сказал:

Такая простая и дешевая система с ничтожными затратами позволяет фиксировать отклонения в несколько десятков нанометров и практически идеальна по отношению затраты/результат.

 

Изменено пользователем Исаев Михаил

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
10 минут назад, Besprizornik сказал:

А зачем такие извращения если есть автоколлиматор.

Самопроизвольные неконтролируемые колебания струны учтены в расчётах, точно не помню но где-то почерпнул что натянутая струна никогда не остаётся неподвижной. 

Приведите пример измерений коллиматором линейки 200 мм длиной с шагом 1 см. Вы этой штукой хоть раз мерили?

10 минут назад, Yozki сказал:

Ещё можно заморочиться с детектированием зазора через анализ прохождения по металлической струне волн высокочастотных электрических колебаний. 
Убеждён, что есть просроченные патенты на эту СВЧ тему, которые так и остались невостребованными по ряду жутко сложных и замысловатых в своей неожиданности, причин.

Месье знает толк в извращениях, как было сказано в старом анекдоте. Восхитительно!

Ещё раз, устройство делается из сущей ерунды и стоит копейки. И да, это проверено на практике, а не высосано из пальца в псилоцибиновых грёзах.

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
36 минут назад, Zoraccer сказал:

Тогда повесив источник лазера на вертикальный подвес\гироплатформу\поворотную башню вы даже не прямую линию, а эталонную плоскость построите.. 

Нет, я получу конус с углом при вершине, близком к 180 градусам, но конус. 

Ближе к простоте и качеству, пожалуйста, предлагаемые альтернативы. Пока вижу сложнее и фантастичней, если не вовсе нереализуемые. 

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Только что, Исаев Михаил сказал:

Приведите пример измерений коллиматором линейки 200 мм длиной с шагом 1 см. Вы этой штукой хоть раз мерили?

Меряют-же как-то, призму и на КМД поставить можно.

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
18 минут назад, Исаев Михаил сказал:

Очень дешевое и простое в реализации, сверхмалобюджетное устройство с весьма высокими параметрами проверки прямолинейности с цифровым, количественным показанием результата, а не "лезет - не лезет", водно просвет или нет.

Ну намерили эти нанометры, дальше что? Открывать центр метрологии? 

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Только что, Ришат116 сказал:

Ну намерили эти нанометры, дальше что?

Надо ещё намерить, автор пока молчит о вероятности автоколебаний струны, неверное и сам не знает.

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
8 минут назад, Исаев Михаил сказал:

делается из сущей ерунды и стоит копейки. И да, это проверено на практике

Так-то с гетеродином вполне можно подать отдетектрованный свч-сигнал хоть на микрофонный вход ноутбука или смартфона. Простоты и копеечности можно достичь, применяя современные полупроводники. "Наколенности" изготовления СВЧ не достичь.
Кстати, чистосердечно сознаюсь, что ваш вариант мне показался только чуть менее сложным, чем городить аналоговые электронные потроха. 
Если есть практические опыты работы со струной, пожалуйста, ну пожалуйста - покажите их на фото, а ещё лучше и на видео.
Уверен, что администрация проявит милость и пропустит ролик в тему.
По-настоящему любопытно же!

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Только что, Besprizornik сказал:

Меряют-же как-то, призму и на КМД поставить можно.

Кто на ком стоял, потрудитесь выражаться яснее.

Метод измерения автоколлиматором шаговый, причём с крупным шагом, для довольно больших баз, и очень трудоёмкий и медленный. И измеряют там линейное отклонение угловой величины, пересчитываемое обратно в линейное отклонение. Метод, как видите, очень опосредованный. И требует наличия дорогой качественной и громоздкой техники.

8 минут назад, Ришат116 сказал:

Ну намерили эти нанометры, дальше что? Открывать центр метрологии? 

А что, результат любого измерения только для этого нужен?

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Дата: (изменено)
8 минут назад, Besprizornik сказал:

о вероятности автоколебаний струны

Они в любом случае будут выглядеть в таблицах снятых данных более-менее симметричными отклонениями, которые тупо усреднятся. Аппроксимированное положение колеблющейся струны будет считаться истинным её положением в состоянии покоя. Если, вообще колебания на уровне оптодатчика не зафильтруются электрически и не попадут в таблицу уже как стабильные усреднённые. Зависит конечно, как струну натянуть, до МИ шестой октавы достаточно должно быть.    

Изменено пользователем Yozki

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
5 минут назад, Besprizornik сказал:

Надо ещё намерить, автор пока молчит о вероятности автоколебаний струны, неверное и сам не знает.

Я о таком явлении не знаю, с чего ей автоколебаться? Гитара разве автоиграет? Колебания струны возможны только при внешнем воздействии, в ней собственного источника энергии нет. Вдобавок, колебания происходят вокруг нейтрального положения, тестер их просто игнорирует, они далеко за его полосой пропускания.

4 минуты назад, Yozki сказал:

Зависит конечно, как струну натянуть, до МИ шестой октавы достаточно должно быть.

Именно так.

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение

Каким усилием надо натягивать струну для достижения субмикронной прямолинейности поперёк действия силы тяжести?

На вскидку получается порядка тонны.

 

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
11 минут назад, Yozki сказал:

Если есть практические опыты работы со струной, пожалуйста, ну пожалуйста - покажите их на фото, а ещё лучше и на видео.

Попробую, я всё это на сущих соплях проверял, для сиюминутных нужд. А вообще, я сам был поражен чувствительностью и разрешающей способностью при минимуме затрат. Эта штука легко фиксирует провисание капроновой лески 0,6 мм диаметром на пролёте 400 мм, при повороте рамы с датчиком и струной на 90 градусов, расчётное значение провисания должно быть около микрона, сигнал около 13 mV/

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Дата: (изменено)
8 минут назад, Green-Green сказал:

Каким усилием надо натягивать........... получается порядка тонны

Да не, зачем так тянуть. Можно коэффициент прогиба по параболе ввести в алгоритм обработки сырых данных. Калибровать по эталонной поверхости перед измерением и всё.

Изменено пользователем Yozki

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
6 минут назад, Green-Green сказал:

Каким усилием надо натягивать струну для достижения субмикронной прямолинейности поперёк действия силы тяжести?

На вскидку получается порядка тонны.

Это откуда такие "вскидки"? Поперёк сил вообще никаких нет.

Только что, Yozki сказал:

Да не, зачем так тянуть. Можно коэффициент прогиба по параболе ввести в алгоритм обработки сырых данных. Калибровать по эталонной поверхости перед измерением и всё.

Снова здорово! Парабола - это вниз, а измерения в горизонтальном направлении, измеряемый объект лежит на боку. 

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Только что, Исаев Михаил сказал:

Я о таком явлении не знаю, с чего ей автоколебаться? Гитара разве автоиграет? Колебания струны возможны только при внешнем воздействии, в ней собственного источника энергии нет. Вдобавок, колебания происходят вокруг нейтрального положения, тестер их просто игнорирует, они далеко за его полосой пропускания.

Надо сначала проверить нет-ли сложных колебаний в режиме самовозбуждения, например от разности температур вне и к поверхности, термореактивных сил и прочего. Как понимаю не +/- палец мерить и колеблющаяся труна может быть в зоне инфразвука и неслышима. 

 

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение

Для публикации сообщений создайте учётную запись или авторизуйтесь

Вы должны быть пользователем, чтобы оставить комментарий

Создать учетную запись

Зарегистрируйте новую учётную запись в нашем сообществе. Это очень просто!

Регистрация нового пользователя

Войти

Уже есть аккаунт? Войти в систему.

Войти

  • Последние посетители   0 пользователей онлайн

    Ни одного зарегистрированного пользователя не просматривает данную страницу


×
×
  • Создать...

Важная информация

Мы разместили cookie-файлы на ваше устройство, чтобы помочь сделать этот сайт лучше. Вы можете изменить свои настройки cookie-файлов, или продолжить без изменения настроек.