На правах рукописи

Юденков Андрей Владимирович

КОНТРОЛЬ ЧАСТОТЫ И РАЗМАХА ВИБРАЦИИ ПО ИЗМЕНЕНИЮ

КОНТРАСТА В ИЗОБРАЖЕНИИ ШТРИХОВ

ПИРАМИДАЛЬНОЙ МИРЫ

Специальность: 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды,

веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

Барнаул – 2009

Работа выполнена в Алтайском государственном техническом университете им. И.И.Ползунова

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Пронин Сергей Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент Еськов Александр Васильевич кандидат технических наук, доцент Шатохин Александр Семенович

Ведущая организация: Федеральный научно-производственный центр «Алтай», г. Бийск

Защита диссертации состоится 29 декабря 2009 г. в 10-00 на заседании диссертационного совета Д 212.004.06 Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова по адресу: 656038, Алтайский край, г. Барнаул, пр. Ленина,46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного технического университета им. И.И.Ползунова

Автореферат разослан 26 ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д.Е. Кривобоков Общая характеристика диссертационной работы Актуальность темы. На современном этапе развития технологических процессов возрастает потребность в конструктивно простых, доступных и надежных средствах контроля вибрации. Вибрация в том или ином проявлении сопутствует протеканию любого динамического процесса. Безопасной эксплуатации зданий и сооружений, нормальной работе производственного оборудования и силовых установок соответствует определенный уровень вибрации. Превышение допустимых норм параметров вибрации приводит к разрушению объектов, о чем свидетельствует, например, авария на Саяно-Шушинской ГЭС. Таким образом, одной из актуальных задач современной техники является измерение параметров вибрации. К основным параметрам вибрации относятся частота и размах.

Существующие методы контроля вибрации разделяют на контактные, подразумевающие механическую связь с исследуемым объектом контроля, и бесконтактные, т.е. не связанные с объектом контроля механической связью. Применение контактных методов при измерении вибрации не всегда возможно реализовать в условиях производственного процесса, исходя, прежде всего, из их высокой инертности, а зачастую и требований техники безопасности.

Одним из значимых направлений решения данной проблемы является применение бесконтактных методов. Оптические методы в решении этой задачи занимают ведущую позицию. Наиболее известными оптическим методами являются: интерференционный метод, метод мерного клина, метод двойных марок, а также методы, в основу которых положен стробоскопический эффект. Вместе с тем оптическим методам присущи некоторые недостатки. Во-первых, зачастую это сложная схема реализации, в частности интерференционного метода. По этой же причине не рассматриваются исследовательские системы вибрационного мониторинга и диагностики бесконтактного принципа действия, имеющие значительно более сложную структурную схему и требующие специальных навыков обращения с ними. Во-вторых, узкая область применения вследствие контроля одного параметра. Например, метод двойных марок технологически является достаточно простым, однако он обеспечивает контроль только размаха колебаний.

Стробоскопический метод также является технологически простым и достаточно точным, но при этом обеспечивает контроль только частоты периодических вибраций.

Современные технические устройства – это скоростная видеокамера с изменяемой кадровой частотой и персональный компьютер позволяют объединить указанные методы и реализовать устройство, сочетающее в себе все их положительные качества. Согласно известному стробоскопическому эффекту при совпадении кадровой частоты ПЗС-фотоприемника и частоты колебаний объекта его изображение воспринимается неподвижным. Однако в течение времени экспозиции оптическое изображение объекта оказывается смазанным. Смаз изображения имеет научное объяснение через понятие контраста. Изменение контраста в радиальной штриховой мире при продольном ее смещении относительно оси объектива изучал ОНейл. Эффект изменения контраста в пирамидальной штриховой мире при поперечном ее смещении относительно объектива изучал С.П. Пронин.

Высказано научное предположение, что по изменению контраста в штрихах с различными пространственными частотами можно с высокой точностью установить размах вибрации.

Таким образом, путем синтеза стробоскопического эффекта и эффекта изменения контраста в изображении парных штрихов с различными пространственными частотами, может быть реализован новый метод контроля параметров вибрации.

Цель работы - дать научное обоснование новому методу оптического контроля параметров гармонической вибрации объекта, основанному на синтезе стробоскопического эффекта и эффекта изменения контраста в штрихах пирамидальной миры и разработать визуальный метод контроля параметров вибрации по оптическому изображению штрихов на экране монитора персонального компьютера.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить задачи:

1. Выполнить аналитический обзор методов и средств контроля параметров вибрации и обосновать возможность синтеза двух оптических эффектов и их применения в контроле параметров вибрации.

2. Разработать модель изменения контраста в изображении штрихов пирамидальной миры с различными пространственными частотами в зависимости от частоты и размаха вибрации при условии стробоскопического эффекта.

3. Создать экспериментальную установку для исследования изменения контраста в штрихах пирамидальной миры. Провести эксперименты и уточнить математическую модель с учетом характеристик видеокамеры.

4. Разработать визуальный метод контроля параметров гармонической вибрации по оптическому изображению штрихов на экране монитора персонального компьютера.

Объект исследования - процесс изменения оптического изображения штрихов пирамидальной миры на экране монитора компьютера от параметров вибрации.

Методы исследования. Для теоретических исследований использовано уравнение Фредгольма первого рода с ядром типа свертки, а также применен спектральный анализ оптического сигнала. При исследовании процессов, происходящих в измерительной системе, были использованы математическое и компьютерное моделирование. В экспериментальных исследованиях использован метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой. Для реализации методов использованы эталонные средства.

Научная новизна полученных результатов.

На основе синтеза стробоскопического эффекта и эффекта изменения контраста в парных штрихах с различной пространственной частотой предложен и научно обоснован новый метод оптического контроля параметров вибрации. Реализация метода современными средствами исключает, во-первых, применение теоремы Котельникова и увеличивает, таким образом, диапазон контроля частот в 2 раза. Во-вторых, способен обеспечить одновременный контроль частоты и размаха гармонической вибрации на значительных расстояниях объекта контроля от видеокамеры. В-третьих, исключает влияние инерционности первичного измерительного преобразователя на процесс контроля.

Разработана математическая модель контроля параметров вибрации, которая позволяет анализировать оптическое изображение штрихов в зависимости от частоты и размаха вибрации с учетом времени экспозиции и кадровой частоты ПЗСфотоприемника.

Достоверность научных выводов и результатов диссертации обеспечивается: использованием физических основ получения информации при построении математических моделей; обеспечением представительности выборок при проведении измерений; хорошим совпадением теоретических и экспериментальных результатов; использованием рекомендаций, изложенных в соответствующих государственных стандартах при выполнении экспериментальных исследований;

использованием в качестве эталонных приборов генератора низкочастотных колебаний Г3-117, микроскопа «Мир-2», объект-микрометра ОМП ГОСТ 7513-55, измерительной лупы 10х.

Практическая значимость работы:

1. Разработанный метод контроля параметров вибрации объекта по оптическому изображению штрихов в пирамидальной мире позволяет создавать новые автоматические и автоматизированные средства контроля параметров вибрации:

частоты, размаха, виброскорости и виброускорения.

2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы в технической оптике при контроле качества оптикоэлектронных и оптических приборов при регистрации динамических изображений.

Реализация результатов исследований.

Результаты диссертационной работы одобрены для применения в качестве метода контроля вибрации двигателей внутреннего сгорания при изготовлении и пробной эксплуатации на ОАО «Барнаултрансмаш».

На защиту представлены:

Математическая модель контроля параметров вибрации, позволяющая анализировать оптическое изображение штрихов в зависимости от частоты и размаха вибрации с учетом времени экспозиции и кадровой частоты ПЗС-фотоприемника.

Метод и средство визуального контроля частоты и размаха гармонической вибрации по оптическому изображению в штрихах пирамидальной миры на экране монитора персонального компьютера.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на VI Всероссийской научно-практической конференции «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве» (Новокузнецк, 2007), 8-ой и 9-ой Международных научно-технических конференциях «Измерение, контроль и информатизация» (Барнаул, 2007, 2008), VI Межрегиональной научно-технической конференции «Строительство: материалы, конструкции, технологии» (Братск 2008), Публикации. Основное содержание работы

изложено в 11 печатных работах. Из них 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК, 5 статей в региональных журналах, 5 – доклады и тезисы докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Общий объем диссертации составляет 95 страниц, включая 21 рисунок, 8 таблиц.

Во введении к диссертации обоснована ее актуальность, сформулированы цели, задачи и методы исследований, научная новизна, основные положения, выносимые на защиту, практическая значимость работы, отражены вопросы апробации и реализации полученных научных результатов.

В первой главе «Аналитический обзор методов и средств контроля параметров вибрации» представлен обзор существующих методов и средств, используемых для контроля частоты и размаха вибрации. Из анализа существующих методов, выявлены их достоинства и недостатки, на основании чего выбраны три оптических метода: мерного клина, двойных марок и стробоскопического метода.

Выполнен анализ вибрационного размытия при вибрации мерного клина, двойных марок и прямоугольных штрихов. Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований изменения контраста в прямоугольных штрихах, выполненные в научных работах ОНейла, О.Ф. Гребенникова, Г.И. Василенко, А.М. Тараторина, Б. Фридена и других авторов. В качестве теоретической основы создания метода контроля параметров вибрации выбрана частотноконтрастная характеристика матричного фотоприемника, приведенная в коллективной монографии «Системы технического зрения». В качестве тест-объекта выбраны парные штрихи, организованные в пирамидальную миру, предложенную С.П. Прониным. Она состоит из нескольких групп парных штрихов с увеличивающейся пространственной частотой, расположенных одна над другой и имеющих общую ось симметрии. Такая пространственная организация штрихов позволяет визуально легко анализировать изменение контраста на различных пространственных частотах. Сформулированы цель и задачи диссертационных исследований.

Во второй главе «Теоретическое исследование изменения контраста в изображении штрихов от размаха вибрации» выполнено теоретическое исследование изменения контраста в плоскости изображения колеблющихся парных штрихов ортогонально оптической оси объектива от размаха колебаний в частотной и пространственных областях при условии возникновения стробоскопического эффекта.

На рис.1 показан одномерный объект в виде парных штрихов, совершающий гармонические вибрации ортогонально оптической оси объектива с размахом R. За время экспозиции штрихи проходят путь 2R. ПЗС-фотоприемник фиксирует этот кадр и передает его на экран монитора ПК.

Рис.1. Пространственно-временное представление движения парных штрихов с шириной штриха а и пространственной частотой =1/А=1/2а За основу модели изображения штрихов g(y), которое получается на выходе фотоприемника за время экспозиции, принято уравнение Фредгольма первого рода с ядром типа свертки. При условии идеального объектива получено уравнение:

где функция rect(y/a) – функция прямоугольного импульса шириной а;

(y-A/2) и (y+A/2) – дельта функции, отстоящие друг от друга на расстоянии А;

rect (y/2R) называют прямоугольной характеристикой сдвига, функцией рассеяния. В любом случае – это функция прямоугольного импульса шириной 2R.

Этому уравнению, согласно правилам математических преобразований, в частотной области соответствует уравнение:

где G() – спектр изображения подвижных штрихов; cos(A)sinc(a) - спектр неподвижного изображения штрихов.

Третий сомножитель в (2) представляет ЧКХ:

Поскольку фиксация изображения производится при времени равном периоду вибрации, то удобно назвать эту характеристику ЧКХ стробоскопического эффекта.

Под контрастом К в изображении штрихов использовали известное соотношение яркостей:

с той лишь разницей, что вместо максимальной и минимальной значениями яркостей фиксировали значение яркости L0 между светлыми штрихами и значение яркости Lш на одном из штрихов. Фиксация яркостей в изображении позволяет согласовать изменения контраста, вычисленных по формулам (1) и (2). Формула (2) дает возможность оценить изменение контраста в частотной области, а формула (1) – в пространственной. При условии разрешения штрихов, когда яркость Lш больше яркости L0, контраст больше нуля: К>0. При условии равенства яркостей