автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Контроль частоты и размаха вибрации по изменению контраста в изображении штрихов пирамидальной миры

ОСи^о ■ ----

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

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 о ДЕК 2009

Барнаул-2009

003487298

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 ? ( ( • 2009г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Д.Е. Кривобоков 2

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, превде 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 экспози-

ции 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 О'Нейл. 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 ГОС-фотоприсмника.

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 ГЗ-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 оптико-электронных 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.

Содержание работы

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 О'Нейла, О.Ф. Гребенникова, Г.И. Василенко, A.M. Тараторина, Б. Фридена и других авторов. В качестве теоретической основы создания метода контроля параметров вибрации выбрана частотно-

контрастная 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 Я. За время экспозиции штрихи проходят путь 2К. 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 л>=\1А=112а

За основу модели изображения штрихов ¿(у), 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 гес1(у/а) - функция прямоугольного импульса шириной а; ё(у-Л/2) и 5(у+А/2) - дельта функции, отстоящие друг от друга на расстоянии А;

у, мм

(1)

геМ (уПК) называют прямоугольной характеристикой сдвига, функцией рассеяния. В любом случае — это функция прямоугольного импульса шириной 27?.

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

0(и)= со%{л4 г) ■ бшс (т У) ■ БШС (л2Я и) , (2)

где - спектр изображения подвижных штрихов; со5(7ь4у)зтс(шп>) - спектр неподвижного изображения штрихов. Третий сомножитель в (2) представляет ЧКХ:

5тс(тг2Яу). (3)

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:

* = (4)

с той лишь разницей, что вместо максимальной и минимальной значениями яркостей фиксировали значение яркости Ь0 между светлыми штрихами и значение яркости Ьш 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 Ьш больше яркости Ьо, контраст больше нуля: Л>0. При условии равенства яркостей (¿Ш=Ь0) получаем нулевой контраст К=0. При условии ЬШ<Ь0 возникает отрицательный контраст А"<0.

Рассмотрено изменение контраста в штрихах при различных соотношениях размаха Л и размера штриха а. ЧКХ стробоскопического эффекта (3) переходит через первое нулевое значение на пространственной частоте у=1/2Л. При условии Я=а частота перехода ЧКХ через нуль и пространственная частота штрихов совпадают. Подставляя в (2) вместо Я значение а получим спектр изображения штрихов:

0(с)=8тс(л4ау)-5тс(!шу). (5)

Функция (5) в пространственной области представляет трапецию, которая и на штрихах и между штрихами имеет одинаковые яркости, поэтому контраст в изображении равен нулю: К=0. Результат вычислений изображен на рисунке 2,в.

Таким образом, если пространственная частота парных штрихов с коэффициентом заполнения 0,5 совпадает с частотой перехода через нуль ЧКХ стробоскопического эффекта, то в данных штрихах будет нулевой контраст. В простран-

ственной области эффект нулевого контраста возникает при равенстве размаха колебаний ширине штриха, или половине пространственного периода штрихов :Л=а=,4/2.

При пространственной частоте штрихов меньшей, чем частота перехода через нуль ЧКХ стробоскопического эффекта, в штрихах должен наблюдаться положительный контраст. Меньшей пространственной частоте соответствуют большие размеры штрихов. Зададим условие К=а/2, то есть для второй пары штрихов размах колебания равен половине ширины штриха. Подставим значение К в уравнение (2). В результате получим спектр изображения:

СОЗ(ТЫУ)- зтс2(тгау). (6)

>д(у)

1, А~2а < И=0; К=1

<и

,9(У)

ДА.

д(у) 1

Р=Зз/2; К<0

Рис.2. Графическое представление изменения контраста в изображении штрихов в зависимости от соотношения размаха колебаний Я и размера штрихов а

В пространственной области функция (6) представляет два треугольных импульса шириной 2а, отстоящих друг от друга на расстоянии А (см. рис.2,б). Поскольку яркости на штрихах больше яркости между штрихами, то контраст в изображении принимает положительное значение: К>0. Таким образом, если пространственная частота парных штрихов меньше частоты перехода через нуль ЧКХ стробоскопического эффекта, то в штрихах наблюдается положительный контраст. В пространственной области положительный контраст, или разрешение в штрихах возникает при условии, когда размах колебания меньше ширины штрихов.

Зададим пространственную частоту штрихов, превышающую частоту перехода через нуль ЧКХ стробоскопического эффекта. Пусть Я=За/2, то есть для

третьей пары штрихов размах колебания равен полуторному размеру штриха. Уравнение (2) приобретает вид:

С(у)= соз(ЯЛУ)- зтс(япу)- зтс(яЗау) (7)

Два последних сомножителя в пространственной области представляют трапецеидальную функцию с верхним основанием 2а и нижним основанием 4а. В пространственной области (7) преобразуется к виду:

где ТРАП (у,2а,4а) - функция, имеющая контур трапеции по оси у, симметричная относительно начала координат с верхним и нижним основаниями 2а и 4а соответственно.

Графическое изображение суммы двух трапецеидальных функций представлено на рис. 2,г. Как видно из рисунка, яркость между штрихами приобретает большее значение, чем на самих штрихах, поэтому контраст становится отрицательным: К<0. Таким образом, если пространственная частота парных штрихов превышает частоту перехода через нуль ЧКХ стробоскопического эффекта (2), то в изображении возникает отрицательный контраст. В пространственной области значение размаха колебаний, в этом случае, превышает размер штриха.

В этой же главе проведен анализ влияния фоточувствительных элементов на изображение штрихов. В результате получено важное условие калибровки применяемой системы. Увеличение объектива в статическом положении штрихов должно быть таким, чтобы размер светлого штриха составлял не менее 2 экранных пикселей.

Третья глава «Экспериментальная установка контроля параметров гармонической вибрации» посвящена описанию разработанной экспериментальной установки и исследованию изменения оптических эффектов, наблюдаемых на экране монитора персонального компьютера при изменении частоты и размаха гармонической вибрации.

1

(8)

4

6

2.

Рис.3. Структурная схема экспериментальной установки контроля размаха и частоты гармонической вибрации

В состав экспериментальной установки входит виртуальный звуковой генератор синусоидальных колебаний 1, динамик 2, на диффузоре которого закреплена пирамидальная мира 3, видеокамера 4, усилитель сигнала 5, подаваемого с персонального компьютера 6.

Виртуальный генератор «РадиоМастер» позволяет получать электрические сигналы в звуковом диапазоне частот от 20 Гц до 20 КГц с амплитудой напряжения от нуля до 1 В. Частота дискретизации (цифроаналогового преобразования) фиксированная - 48 кГц, разрядность ЦАП -16. Выходное напряжение генератора определяется регулятором «Амплитуда», а также положением звуковых регуляторов громкости и баланса Windows, максимальная амплитуда сигналов без искажений - около 1 В.

Виртуальным генератором моделируется синусоидальный сигнал с задаваемой частотой и амплитудой, который через усилитель приводит в движение диффузор динамика.

Для моделирования колебаний применяется динамик 25ГДН-1-8-80. К диффузору динамика жестко прикреплен тест-объект в виде пирамидальной миры.

Пирамидальная мира изображена на рис.4. В табл.1 приведены параметры пирамидальной миры. В первой колонке указан номер пары штрихов. Во второй колонке размер штриха соответствующей пары, а в третьей - пространственная частота v=lA4=l/2a.

1 2 3 4 5 6

^ггггп

Рис.4. Изображение пирамидальной миры на экране монитора без пространственной вибрации

В экспериментальной установке использовалась видеокамера SAMSUNG VP-W 61 (PAL), работающая в стандарте CCIR 625 строк, 25 кадров в секунду. В системах CCIR используются ПЗС-матрицы с чересстрочной разверткой. Каждую секунду 25 нечетных полей и 25 четных полей быстро сменяют друг друга, поэтому частота вертикальной развертки составляет 50 Гц.

Таблица 3.1 - Параметры пирамидальной миры

№ штрихов Ширина штриха а, мм Пространственная частота v, мм'1

1 0,8 0,62

2 0,7 0,71

3 0,6 0,83

4 0,5 1,00

5 0,4 1,25

6 0,3 1,67

В видеокамере был установлен режим «AUTO». Скорость затвора в этом режиме автоматически изменяется от 1/50 с до 1/250 с в зависимости от уровня освещенности объекта и фона.

Штрихи пирамидальной миры располагают перпендикулярно направлению линейной вибрации и параллельно строкам ПЗС-фотоприемника. Увеличение оптической системы выбирается таким, чтобы был явно виден светлый промежуток между темными штрихами как это показано на рис.4. Виртуальный генератор имеет две шкалы: шкалу установки частоты колебаний и шкалу амплитуд. Шкала амплитуд для экспериментальной установки имеет относительные значения, изменяющиеся от 1 до 10. Перевод размаха гармонической вибрации из относительных единиц в абсолютные осуществляли следующим образом. С помощью микроскопа «Мир 2» с увеличением 25х измеряли ширину узкой черной полоски на светлом фоне. Генератором задавали колебания диффузору динамика и производили измерение ширины полоски с размазанными границами. Разность между шириной полоски с размазанными границами и ее шириной в статике дает размах в абсолютных размерах.

Как видно из рис.4, в теории использовалась модель светлых штрихов и темного промежутка, а в эксперименте - модель темных штрихов и светлого промежутка. Этот факт вызван субъективным удобством. При рассмотрении теоретической модели отпадала необходимость введения дополнительного слагаемого и отрицательного знака. Зато инверсная модель дает преимущество в интерпретации экспериментального результата: светлый промежуток соответствует положительному контрасту, а темный - отрицательному. Теоретически обе модели равнозначны.

Как видно из рис.5,а, изменение контраста в штрихах полностью соответствует теории, изложенной во второй главе. Ширина штриха в 5-й паре равна размаху вибрации: Л=0,4 мм. При этом условии в штрихах должен возникать нулевой контраст, что и наблюдается в эксперименте. Штрихи слились в один серый прямоугольник. Ширина штрихов в 1-ой, 2-ой, 3-ей и 4-ой парах превышает заданный размах вибрации поэтому в этих штрихах наблюдается положительный контраст: при вибрации между темными штрихами остаются светлые промежутки. В штрихах 6-ой пары наблюдается отрицательный контраст. Изначально светлый промежуток между штрихами вырождается в темный промежуток.

На рис.6,а представлено экспериментальное измените контраста в штрихах пирамидальной миры при размахе вибрации R=0,5 мм. Согласно теории нулевой контраст должен быть в 4-ой паре штрихов, потому что К=ал, что и получилось в эксперименте. Контраст во всех остальных штрихах тоже полностью совпадает с теорией: Кх>0; К2>0; К3>0; К4=0; К5<0; Кб<0. ЧКХ стробоскопического эффекта, представленная ниже изображения миры на рис.6,а, также верно отражает изменение контраста.

и) б)

1ДДДД6 123456

X

1д\

Рис.5. Экспериментальное изменение контраста в штрихах пирамидальной миры при размахе вибрации Л=0,4 мм а) $)

1 2 3 4 5 6 1 23456

ШШ:-------

К:

Рис.6. Экспериментальное изменение контраста в штрихах пирамидальной миры при размахе вибрации Л==0.5 мм

Эксперименты, выполненные по остальным частотам подтверждают общие теоретические выводы. Между тем, оптическое изображение штрихов носит квазиустойчивый характер. При статическом изображении миры контраст в изображении штрихов периодически меняется из состояния, наблюдаемого на рисунке 5,а, в состояние, показанное на рис.5,б и обратно. Период изменения контраста составляет 10 с. Такой же эффект - эффект изменения контраста, наблюдался во всех других экспериментах.

Для многоэлементного фотоприемника удвоенный размах 2К в формуле (3) представляет частный случай перемещения штрихов во времени, когда время экспозиции, период колебаний и период кадра равны: /Экс=^сол=?гадр. В общем случае эти значения не равны. Перепишем формулу изменения контраста (3) в виде:

ЧКХ^ш(71УЧ (9)

71 Уб'-

где .У/ - расстояние, на которое перемещаются штрихи пирамидальной миры в /-ом кадре за время экспозиции фотоприемника

у, мм

г„ао г„в„ 1 г, с

п 1

у,т \ У" У уД / Угт \ У'3 / \ 1

\ / 1 Ткал _ = \ У» г \

Рис.7. Графическое представление пространственно-временного процесса вибрации пирамидальной миры и времени считывания изображения ее штрихов многоэлементным фотоприемником

На рисунке 7 представлен пространственно-временной процесс вибрации пирамидальной миры. По оси у происходят пространственные смещения, а ось абсцисс представляет временную ось. На основе этого представления получено уравнение покадрового изменения расстояния 5,- :

= 2Я~\саъ2я{1р-у)-соь2я{1-\)Р\, (10)

где р= Тшдр / Т„,, =/ш,/^^ ~ (11)

коэффициент, характеризующий отношение периода кадра к периоду колебаний пирамидальной миры, или частоты колебаний к кадровой частоте, а коэффициент /характеризует отношение разности периода повторений и времени экспозиции к периоду колебаний тест-объекта:

^_ А/ _ ^кадр ^экс _р

' ' (12)

КОЛ

2 _ С

т

V кадР У

Подставляя 5,- (10) в формулу ЧКХУ (9), можно определить изменения контраста, которые будут наблюдаться на экране монитора персонального компьютера для любой пары штрихов.

Для расчета изменения расстояния Я, использовали компьютерное моделирование. Исходя из скорости затвора 1/50, рассчитали время экспозиции 1ЖС = 0,02 с. При моделировании за частоту кадров приняли вертикальную частоту ПЗС-фотоприемника: /Шф=50Гц, поскольку вибрация штрихов происходит по оси у. При этих условиях коэффициент у=0, а коэффициент р имеет значение /?=/„>,, /50. При этом на экране монитора компьютера кадры имеют частоту 25 Гц. Из экспериментов известно, что период изменения контраста равен 10 с. Несложно рассчитать, что при кадровой частоте 25 Гц за 10 с количество кадров г составит: /=250. Путем компьютерного моделирования на основе формулы (10) при усло-

вии, что изменение расстояний 5, носит периодический характер и должны укладываться в 250 кадров, получен коэффициент /?:

/■ 29 4

р _ Лм _ _ о 498

50 50

ЛШ

Рис.8. График изменения расстояния при размахе вибрации /?=0,4 мм

На рис.8 представлен график изменения расстояния, проходимого штрихами пирамидальной миры, при размахе вибрации Л=0,4 мм.

Как следует из расчетов, расстояние меняется от кадра к кадру, при этом максимальное расстояние равно мм, а минимальное 5и/„=0,4 мм.

Подставляя значения в ЧКХ стробоскопического эффекта (9), получен график, показанный на рис.5,а. Подставляя значение 5„„„ в ЧКХ (9), получен график, показанный на рис.5,б. Таким образом, из-за различия в частотах и различия времени экспозиции и периода кадра появляется эффект «плавающей» ЧКХ, которая дает верное представление изменения контраста в штрихах с различными пространственными частотами. Так частоты в диапазоне от у/=0,62 мм"1 до у/=1,00 мм"1 имеют только положительный контраст, поэтому стрелки имеют положительное значение. В штрихах р5=1,25 мм'1 нулевой контраст переходит в положительный. На рис.5,а частота V/ совпадает с точкой перехода ЧКХ через нуль, а на рис.5,б приобретает положительное значение. Пространственная частота ¥¿=1,67 мм"1 имеет два противоположных состояния. На рис.5,а она входит в область отрицательных значений ЧКХ, а на рис.5,б в область положительных.

Каждому кадру изображения парных штрихов вибрирующей пирамидальной миры соответствует своя ЧКХ, графически расположенная в области значений от до 5та1. Таким образом, при размахе вибрации Д=0,4 мм в парах штрихов, ширина которых превышает значение размаха (с пространственными частотами от У]=0,62 мм"1 до у*=1,00 мм"1), значение контраста принимает только положительные значения. В паре штрихов с пространственной частотой Уг=1,25 мм"1, ширина которых соответствует размаху вибрации, наблюдается периодическая смена положительного при и нулевого при контрастов, В паре штрихов с пространственной частотой Уи=1,67 мм"1, ширина которых меньше размаха вибра-

ции наблюдается периодическая смена положительного при 5тшг и отрицательного при 5„,„ контрастов.

Аналогичный результат получен для остальных вариантов эксперимента.

В четвертой главе «Разработка метода контроля частоты и размаха гармонической вибрации по оптическому изображению штрихов на экране монитора персонального компьютера» выполнена разработка метода и дана оценка погрешностям контроля параметров вибрации.

Варианти ¿¿Ттдр является наиболее общим и сложным, поэтому его удобно выполнять на основе компьютерной модели. Она реализована с помощью математического пакета МаШСАВ. Текст программы представлен на рисунке 9. Анализ погрешности процесса контроля частоты и размаха вибрации сводится к следующей задаче. Заданы относительная погрешность измерения и частоты вибрации 6/ и отношение времени экспозиции к периоду кадра ПЗС-фотоприемника. Требуется найти период изменения контраста в изображении штрихов пирамидальной миры и диапазон пространственных частот, в котором «плавающая» ЧКХ стробоскопического эффекта приобретает нулевые значения. Зная время изменения контраста в штрихах с определенной пространственной частотой можно указать погрешность контроля частоты и размаха вибрации. Результаты вычислений сведены в таблицы.

Суть метода контроля частоты гармонической вибрации сводится к следующему алгоритму.

1. На объект контроля закрепить тест-объекг в виде трех парных штрихов на белом фоне с различными пространственными частотами.

2. Выполнить калибровку оптико-электронной системы при статическом положении штрихов. Для этого установить такое увеличение оптической системы, при котором на экране монитора персонального компьютера у штрихов с самой высокой пространственной частотой отчетливо будет наблюдаться светлый промежуток (2 экранных пикселя).

3. Установить кадровую частоту ПЗС-фотоприемника видеокамеры /кадр, равную контролируемой частоте вибрации:/^ -/тл-

4. Установить время экспозиции ПЗС-фотоприемника в диапазоне (0,5 н-0,6) Ткадр.

5. Наблюдая за изображением штрихов на экране монитора, измерить период изменения контраста Тг. На рис.10 представлены изображения штрихов, наблюдаемых на экране монитора персонального компьютера, в течении периода Левое изображение (а) соответствует начальному моменту периода Тх. Правое изображение (б) соответствует времени 7У2. Через период Т, изображение штрихов возвращается в первоначальное состояние (а).

Если период изменения контраста составляет Тг > 4 секунды, то частота вибрации/,„, будет равна кадровой частоте:

/юл ~ /и. др ^ А

где А - погрешность контроля, равная

А^Д/^+0,005-/^. Первое слагаемое характеризует погрешность установки кадровой частоты, а второе слагаемое, согласно табличным данным, определяет методическую погрешность.

1»0..900 М»1 Ь»п»И.7Я рсОЗ

V

у

V

___— Тжс^-ргТич» I - 7 * Р"С1 - Тэк&вдр)

7-0.4?}

р - ОХ

31; >. 2Ю - — leoiJ.il- ,)] - - М][

t:•76 Ь-31 а:-7в ¿»п-1 4-Я

7> ¡)

П^ 5Ю - ~- 7)]- 1)-Й| Я«-----

Я^ 2Я1 - й- - - е«|><Ь- Ц р]| ,

К, отн. ед.

0.7

т

К

у*«) 02

..... 0.2

0.1 о

-С.1

-м

"^НгМ—

. |....

1

■■ : N

I !\ г*..

) :■ ) \

» I 1 > 1

{ 1 ч. ! м-1

\ 1 N

— пространст**м - частота ! ; 1 V

, 1

1 1 " \ ;

0.1 02 03 04 и М 0.7 0.8 0.9 1 1.1 П

Рис.9. Компьютерная модель для расчета погрешностей контроля параметров вибрации

а)

б)

Рис.10. Изображение штрихов на экране монитора при контроле параметров вибрации

Этот вывод справедлив для всего диапазона частот от 25 Гц до 85 Гц. В таблице 4.6 выделены периоды изменения контраста Т„ и поддиапазоны частот/кол, в которых можно получить более высокую точность контроля.

При контроле размаха вибрации выполнить пункты 1-5, указанные выше, а далее перейти к следующему, шестому пункту.

6. Зафиксировать пару штрихов в изображении пирамидальной миры с нулевым контрастом. Размах вибрации Я соответствует ширине штриха а: И=а.

Таблица 4.6

Ts, секунд /коя, Гц Погрешность, Гц

20 25-39 А/±0,001-/

13 40-84

6 85

Для контроля целесообразно использовать три пары штрихов. Ширина штрихов средней пары соответствует номинальному размаху вибрации R. Размеры штрихов с низкой пространственной частотой соответствуют недопустимому размаху вибрации. Размеры штрихов с высокой пространственной частотой могут быть заданы по формуле: а = 0,75R.

а) ЩЦЦ'4ЯЯЭД|---тл» 1 i""**'.....1 "

tz\ ттяииаммммммм

*'/ чтшштяшл июмИ**1*»^^"-

Рис.11. Изображение штрихов на экране монитора: а) - допустимый размах вибрации; б) - размах вибрации превышает допустимый При допустимом размахе вибрации контраст в изображении штрихов в течении периода Ts изменяется в соответствии с рис.И,а. В начальный момент периода Ts контраст но штрихам распределен в последовательности: К>0, К=0, К<0. В момент времени TJ2 у всех штрихов возникает положительный контраст: К>0. В конце периода Ts контраст возвращается к первоначальному виду.

При недопустимом размахе вибрации нулевой контраст смещается в сторону низких пространственных частот. В начальный момент периода Ts контраст по штрихам распределен в последовательности: К=0, К<0, К<0. В момент времени TJ2 у всех штрихов возникает положительный контраст: К>0. В конце периода Ts контраст возвращается к первоначальному виду.

Заключение

1. 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.

2. Разработана математическая модель контроля параметров вибрации, которая при условии стробоскопического эффекта позволяет анализировать оптическое изображение штрихов в зависимости от частоты и размаха вибрации с учетом времени экспозиции ПЗС-фотоприемника.

3. Теоретически и экспериментально установлено, что при несовпадении времени экспозиции с периодом кадра ПЗС-фотоприемника возникает эффект «плавающей» ЧКХ, которая полностью объясняет изменение контраста в штрихах с течением времени.

4. При вычислении контраста в изображении штрихов по известному соотношению яркостей предложено вместо разностей максимального и минимального значений определять разность между яркостью в промежутке штрихов и яркостью на штрихах. Строгая фиксация яркостей позволяет получить положительный, отрицательный и нулевой контрасты и, таким образом, согласовать результат вычисления контраста в пространственной области с результатом изменения контраста по ЧКХ в частотной области.

5. В качестве первичного измерительного преобразователя как средства контроля предложен тест-объект в виде трех парных штрихов. Ширина штрихов в средней паре соответствует номинальному размаху вибрации: а2=Я- Ширина штрихов с низкой пространственной частотой превышает действительный размах вибрации и составляет а1 = (1,1 - 1,3)Л. Ширина штрихов с высокой пространственной частотой меньше действительного размаха вибрации: а3 = 0,75 К.

6. При допустимом размахе вибрации в средней паре штрихов возникает нулевой контраст, в штрихах с низкой пространственной частотой — положительный контраст, а в штрихах с высокой пространственной частотой - отрицательный контраст.

7. При недопустимом размахе вибрации нулевой контраст возникает в штрихах с низкой пространственной частотой. При этом в других парах штрихов появляется отрицательный контраст.

8. При контроле параметров вибрации в диапазоне /= 25-85 Гц целесообразно использовать коэффициент отношения времени экспозиции к периоду кадра

ПЗС-фотоприемника равным 0,5. Это соотношение обеспечивает широкий диапазон изменения ЧКХ стробоскопического эффекта, которая увеличивает динамический диапазон изменения контраста в штрихах, что позволяет повысить точность контроля.

9. Чтобы методическая погрешность контроля частоты вибрации не превышала 0,5 %, период изменения контраста на экране монитора должен составлять не менее 4 секунд.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1. Зрюмов Е.А., Зрюмов П.А., Юденков A.B. Интеллектуальное оптическое средство контроля частоты вибрации объекта // Ползуновский альманах. - 2008. -№2. -С. 91-92.

2. Зрюмов Е.А., Зрюмов П.А., Юденков A.B., Пронин С.П. Исследования согласования частоты колебания тест-объекта и частоты опроса ПЗС-фотоприемника видеокамеры //Ползуновский альманах. -2008. - №2.- С. 50-53.

3. Зрюмов Е.А., Пронин С.П., Юденков A.B., Математическая модель колебания тест-объекта, фиксируемого на фотоприемнике видеокамеры // 8-я Международная научно-техническая конференция «Измерение, контроль и информатизация»: Тез. докл. Барнаул, 3-4 июня 2007 г. - С. 36-38;

4. Пронин С.П., Седалищев В.Н., Замятин В.И., Кривобоков Д.Е., Зрюмов Е.А., Воронов A.C., Кононова Е.С., Юденков A.B., Потапов А.П. Контрольно-измерительные приборы и интеллектуальные системы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий // Ползуновский альманах. - 2008. - № 2. - С. 5-9.

5. Пронин С.П., Юденков A.B., Зрюмов П.А., Кононов C.B., Фадеев A.A., Карташова И.Н., Силаева O.E. Теоретические и визуальные экспериментальные исследования изменения контраста в изображении колеблющихся парных штрихов // Ползуновский альманах. - 2009. - № 2. - С. 108-112.

6. Юденков A.B., Зрюмов Е.А., Пронин С.П. Введение функции передачи сигнала для анализа информационно-измерительной оптико-электронной системы в динамическом режиме // VI Всероссийская научно-практическая конференция «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве»: - Тез. докл. г. Новокузнецк, 17-19 мая 2007 г. - С. 422-424.

7. Юденков A.B., Зрюмов Е.А., Пронин С.П. Исследование оптического метода контроля амплитуды вибрации с применением двойных марок // 9-я Международная научно-техническая конференция «Измерение, контроль и информатизация»: Тез. докл. Барнаул, 3-4 июня 2008 г. - С. 37-39.

8. Пронин С.П., Наталенко Д.Ю., Юденков A.B. Исследование пространственных гармонических колебаний объекта контроля с помощью пирамидальной миры // 9-я Международная научно-техническая конференция «Измерение, контроль и информатизация»: Тез. докл. Барнаул, 3-4 июня 2008 г. - С. 51-54.

9. Юденков A.B., Зрюмов ЕЛ., Пронин С.П. Контроль амплитуды вибраций с помощью пирамидальной миры // Ползуновский альманах. - 2007. - № 3. - С. 94-95.

10. Юденков A.B., Зрюмов Е.А., Пронин С.П. Контроль собственных колебаний строительных конструкций // VI Межрегиональная научно-техническая конференция «Строительство: материалы, конструкции, технологии»: Тез. докл. -Братск, 19-21 марта 2008 г. - С. 36-37.

11. Пронин С.П., Юденков A.B., Зрюмов Е.А. Контроль параметров вибрации объекта по оптическому изображению тест-объекта на экране монитора персонального компьютера // Естественные и технические науки. - 2009. - № 5 (43). -С 268-274 (Издание, входящее в перечень ВАК).

■ Подписано в печать 03.11.2009. Формат 60x84 1/16 ■ Печать - ризография. Усл.п.л. 1,39 Тираж 100 экз. Заказ 171/2009.

Издательство Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, 656038, г Барнаул,£Р-т Ленина 46.

Лицензии: ЛР № 020822 от 21.09.98 года, ПЛД № 28-35 от 15.07.97 , Отпечатано в ЦОП АлтГТУ 65638, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР МЕТОДОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ВИБРАЦИИ.

1.1. Классификация методов и средств контроля частоты и размаха гармонической вибрации.

1.2. Направление развития методов контроля параметров вибрации и постановка задач диссертационных исследований.

1.3. Выводы по главе.

ГЛАВА 11 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ КОНТРАСТА В ИЗОБРАЖЕНИИ ШТРИХОВ ОТ РАЗМАХА ВИБРАЦИИ.

2.1. Разработка модели изменения контраста в изображении парных вибрирующих штрихов при условии выполнения стробоскопического эффекта.

2.2. Теоретическая оценка применения видеокамеры для контроля параметров вибрации.

ГЛАВА III ЭКСПЕРЕМЕНТАЛБНАЯ УСТАНОВКА КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ГАРМОНИЧЕСКОЙ ВИБРАЦИИ.

3.1. Описание экспериментальной установки.

3.2. Настройка и калибровка экспериментальной установки.

3.3. Описание проведенных экспериментов и сравнение результата с теорией.

3.4. Теоретическое исследование изменения частотно-контрастной характеристики стробоскопического эффекта от технических характеристик видеокамеры.

3.5. Описание эффекта периодического изменения частотно-контрастной характеристики.

ГЛАВА IV РАЗРАБОТКА МЕТОДА КОНТРОЛЯ ЧАСТОТЫ И РАЗМАХА ГАРМОНИЧЕСКОЙ ВИБРАЦИИ ПО ОПТИЧЕСКОМУ ИЗОБРАЖЕНИЮ ШТРИХОВ НА ЭКРАНЕ МОНИТОРА

ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА.

4.1. Анализ оптического изображения штрихов и причины возникновения погрешностей контроля параметров вибрации.

4.1.1 Совпадение частоты вибрации объекта с кадровой частотой ПЗС-фотоприемника. Совпадение времени экспозиции с периодом кадра в ПЗС-фотоприемнике.

4.1.2 Совпадение частоты вибрации объекта с кадровой частотой ПЗС-фотоприемника. Различие между временем экспозиции и периодом кадра в ПЗС-фотоприемнике.

4.1.3 Различие между частотой вибрации объекта и кадровой частотой ПЗС-фотоприемника. Совпадение времени экспозиции с периодом кадра в ПЗС-фотоприемнике.

4.1.4 Различие между частотой вибрации объекта контроля и кадровой частотой ПЗС-фотоприемника. Различие между временем экспозиции и периодом кадра в ПЗС-фотоприемнике.

4.2 Метод контроля частоты и размаха вибрации по оптическому изображению трех парных штрихов с различными пространственными частотами.

4.2.1. Контроль частоты вибрации.

4.2.2. Контроль размаха вибрации.

Актуальность темы исследования. Современные технологии требуют непрерывного контроля за многими параметрами технологического процесса и контроля состояния оборудования. Одними из важнейших параметров являются размах и частота вибрации.

Избежать механических колебаний на практике почти нельзя, так как они обусловлены динамическими явлениями, сопровождающими присутствие допусков, зазоров и поверхностных контактов отдельных деталей машин и механизмов.

Особенную опасность представляют известные усиления колебаний, возникающие на резонансных частотах упругих конструкций. Безопасной эксплуатации зданий и сооружений, нормальной работе производственного оборудования и силовых установок соответствует определенный уровень вибрации. Превышение допустимых норм параметров вибрации значительно снижает срок эксплуатации объекта, подверженного вибрации, и может привести к его разрушению.

Одной из проблем контроля параметров вибрации - это проблема осуществления контроля на значительных расстояниях от измерительного устройства до объекта. Например, при своевременном контроле вибрации крыши Трансвааль-парка в 2004 году вполне можно было избежать ее обрушения и человеческих жертв.

Одной из последних разработок является метод ультразвуковой фазометрии, который способен обеспечить контроль вибрации на расстоянии до 2 м. Однако контроль вибрации требуется не только в диапазоне расстояний до 2 метров но и на расстояниях, измеряемых десятками и даже сотнями метров. Методом фазометрии подобную проблему не решить. Поэтому необходимо вести научный поиск новых методов и средств, которые обеспечивают решение этой проблемы.

Возможный путь ее решения состоит в разработке новых оптических методов и средств. Поскольку многие строительные объекты и сооружения обеспечены системами видеонаблюдения, то естественно было бы совмещать и охрану, и контроль.

Сфера контроля основных параметров вибрации достаточно широка и включает в себя: оценку риска аварий объектов промышленного и гражданского назначения, диагностику работы производственного оборудования и силовых установок, аттестацию рабочего места на соответствие установленным требованиям. В условиях интенсивного развития промышленных технологий значительное внимание уделяется проведению научных исследований, направленных на оптимизацию существующих и разработку новых методов и средств контроля параметров вибрации.

Встречающиеся на практике вибрации обычно являются сложными механическими колебаниями с многими составляющими на разных частотах. Частотный анализ механических колебаний машин и механизмов позволяет выделить ряд гармонических частотных составляющих, -непосредственно связанных с основными движениями отдельных узлов и деталей исследуемой машины или механизма. Следовательно, важным элементом контроля сложных механических колебаний является разработка способа измерения и контроля основных параметров гармонических вибраций.

Имеющиеся методы и средства контроля параметров вибрации целесообразно классифицировать по контактному и бесконтактному принципу действия. Общим достоинством бесконтактных методов измерения является отсутствие механического воздействия на исследуемый объект и пренебрежительно малая инерционность, что позволяет избежать основных недостатков, присущих контактным методам.

Из обзора методов и средств контроля параметров вибрации выделены три метода, которые очень просты в технической реализации — это метод мерного клина, метод двойных марок и стробоскопический метод. Достаточно на объект контроля нанести метку или определенную геометрическую фигуру и можно выполнять контроль. Второе их достоинство — это отсутствие инерционности.

Однако стробоскопы способны измерять только частоту вибрации, а устройства, реализующие два других метода — только размах вибрации. Кроме того, методы мерного клина и двойных марок используют для контроля, где не требуется высокая точность.

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.

Алгоритм синтезированного метода контроля можно записать в следующем виде. На объект контроля закрепляют тест-объект с определенными геометрическими фигурами. Изменяя кадровую частоту видеокамеры, добиваются стробоскопического эффекта, когда изображение тест-объекта на экране монитора становится неподвижным. Зафиксированная частота равна частоте вибрации объекта контроля. Поскольку ПЗС-фотоприемник видеокамеры фиксирует изображение тест-объекта в течении некоторого времени (время экспозиции), то в неподвижном изображении возникает вибрационное размытие. Характер вибрационного размытия зависит от размеров и формы геометрических фигур и размаха вибрации. Следовательно, по характеру вибрационного размытия можно судить о размахе вибрации.

Наиболее полное исследование размытия изображения выполнил СГНейл. Свои эксперименты он проводил на радиальной штриховой мире.

СГНейл проектировал изображение миры на экран, а затем проводил дефокусировку, т.е. осуществлял продольное смещение. В результате в определенной области миры происходит смещение штрихов. Подобный эффект известен под названием ложного разрешения, или пространственного фазового сдвига, когда на месте темных штрихов появляются светлые. Данный эффект хорошо исследован и экспериментально, и теоретически. Область пространственного фазового скачка описывает функция Бесселя. Положительные значения этой функции определяют положительный контраст, нулевые значения — нулевой контраст, а отрицательные значения - отрицательный контраст. Таким образом, функция Бесселя является частотно-контрастной характеристикой (ЧКХ) пространственного продольного сдвига. Используя эту функцию, можно проектировать системы контроля, но только продольных смещений.

Однако сам принцип контроля размаха вибрации по изменению контраста в изображении штрихов заслуживает пристального внимания.

Известна ЧКХ скоростного сдвига, которая аналогично функции Бесселя определяет положительный, нулевой и отрицательный контрасты. Следовательно по изменению контраста в штрихах можно судить о размахе вибрации. Важным условием в определении изменения контраста является стробоскопический эффект.

В качестве тест-объекта удобно использовать парные штрихи, организованные в пирамидальную миру. Она состоит из нескольких групп парных штрихов с увеличивающейся пространственной частотой, расположенных одна над другой и имеющих общую ось симметрии.

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 решить задачи:

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

Методы исследования. Для теоретических исследований использовано уравнение Фредгольма первого рода с ядром типа свертки, а также применен спектральный анализ. В метрологическом аспекте выполнена теоретическая оценка влияния на результат контроля фоточувствительного элемента ПЗС-фотоприемника по его ЧКХ.

В экспериментальных исследованиях использован метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой. Для воплощения методов использованы эталонные средства: генератор низкочастотных колебаний ГЗ-117, микроскоп «Мир-2», объект-микрометр ОМП ГОСТ 7513-55, измерительная лупа 10х.

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 датчика.

Разработана математическая модель контроля параметров вибрации, которая при условии стробоскопического эффекта позволяет анализировать оптическое изображение штрихов в зависимости от частоты и размаха вибрации с учетом времени экспозиции ПЗС-фотоприемника.

Практическая значимость работы:

1. Разработанный метод контроля параметров вибрации объекта по оптическому изображению штрихов в пирамидальной мире позволяет создавать новые автоматические средства контроля параметров вибрации: частоты, размаха, виброскорости и виброускорения.

2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы в технической оптике при контроле качества оптико-электронных 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» (656037, г. Барнаул, пр-т Калинина 28).

На защиту представлены:

Математическая модель изменения контраста в изображении парных вибрирующих штрихов при условии выполнения стробоскопического эффекта.

Метод контроля частоты и размаха гармонической вибрации по оптическому изображению штрихов 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 Международной научно-технической конференции «Измерение, контроль и информатизация» (Барнаул, 2007), VI Межрегиональной научно-технической конференции «Строительство: материалы, конструкции, технологии» (Братск 2008), 9-ой Международной научно-технической конференции «Измерение, контроль и информатизация» (Барнаул, 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 из 86 наименований. Общий объем диссертации составляет 95 страниц, включая 21 рисунок, 8 таблиц.

Выводы:

В настоящей главе представлена разработка метода и средства контроля параметров вибрации.

1. В качестве первичного измерительного преобразователя как средства контроля предложен тест-объект в виде трех парных штрихов. Ширина штрихов в средней паре соответствует номинальному размаху вибрации: а2=Я. Ширина штрихов с низкой пространственной частотой превышает действительный размах вибрации и составляет а/ = (1,1 - 1,3)Я в зависимости от контролируемого размаха вибрации. Ширина штрихов с высокой пространственной частотой меньше действительного размаха вибрации: а3 = 0,75 Я.

2. При допустимом размахе вибрации в средней паре штрихов возникает нулевой контраст, в штрихах с низкой пространственной частотой - положительный контраст, а в штрихах с высокой пространственной частотой - отрицательный контраст.

При недопустимом размахе вибрации нулевой контраст возникает в штрихах с низкой пространственной частотой. При этом в других парах штрихов появляется отрицательный контраст.

3. При контроле параметров вибрации в диапазоне / = 25-85 Гц целесообразно использовать коэффициент отношения времени экспозиции к периоду кадра ПЗС-фотоприемника равным 0,5. Это соотношение обеспечивает широкий диапазон изменения ЧКХ стробоскопического эффекта, которая увеличивает динамический диапазон изменения контраста в штрихах, что позволяет повысить точность контроля.

4. Чтобы методическая погрешность контроля частоты вибрации не превышала 0,5 %, период изменения контраста на экране монитора должен составлять не менее 4 секунд.

Научные результаты, представленные в данной главе, опубликованы в работах [39,63].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. 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.

2. Разработана математическая модель контроля параметров вибрации, которая при условии стробоскопического эффекта позволяет анализировать оптическое изображение штрихов в зависимости от частоты и размаха вибрации с учетом времени экспозиции ПЗС-фотоприемника.

3. При вычислении контраста в изображении штрихов по известному соотношению яркостей предложено вместо разностей максимального и минимального значений определять разность между яркостью в промежутке штрихов и яркостью на штрихах. Строгая фиксация яркостей позволяет получить положительный, отрицательный и нулевой контрасты и, таким образом, согласовать результат вычисления контраста в пространственной области с результатом изменения контраста по ЧКХ в частотной области.

4. Теоретически и экспериментально установлено, что при несовпадении времени экспозиции с кадровой частотой ПЗС-фотоприемника возникает эффект «плавающей» ЧКХ, которая полностью объясняет изменение контраста в штрихах с течением времени.

5. В качестве первичного измерительного преобразователя как средства контроля предложен тест-объект в виде трех парных штрихов. Ширина штрихов в средней паре соответствует номинальному размаху вибрации: а2=К- Ширина штрихов с низкой пространственной частотой превышает действительный размах вибрации и составляет а\ = (1,1 - 1,3)^. Ширина штрихов с высокой пространственной частотой меньше действительного размаха вибрации: а3 = 0,75 Я.

6. При допустимом размахе вибрации в средней паре штрихов возникает нулевой контраст, в штрихах с низкой пространственной частотой — положительный контраст, а в штрихах с высокой пространственной частотой - отрицательный контраст.

При недопустимом размахе вибрации нулевой контраст возникает в штрихах с низкой пространственной частотой. При этом в других парах штрихов появляется отрицательный контраст.

При контроле параметров вибрации в диапазоне / = 25-85 Гц целесообразно использовать коэффициент отношения времени экспозиции к периоду кадра ПЗС-фотоприемника равным 0,5. Это соотношение обеспечивает широкий диапазон изменения ЧКХ стробоскопического эффекта, которая увеличивает динамический диапазон изменения контраста в штрихах, что позволяет повысить точность контроля.

Чтобы методическая погрешность контроля частоты вибрации не превышала 0,5 %, период изменения контраста на экране монитора должен составлять не менее 4 секунд.

1. Rule Е., Suellentrop F.J., and Perls T.A. Optical Method for Measurement of Vibration Amplitudes, «Rev. Scientif. Instrum.» 1959 № 1, p. 40-41.

2. Системы технического зрения / A.H. Писаревский, А.Ф. Чернявский, Г.К. Афанасьев, и др. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1988. -424 с.

3. Алиева Н.З. Физика цвета и психология зрительного восприятия. М.: Академия, 2008. - 208 с.

4. Балийкий Ф.Я., Иванова М.А., Соколова А.Г., Хомяков Е.И. Виброакустическая диагностика зарождающихся дефектов М.: Наука, 1984. - 120 с.

5. Балицкий Ф.Я., Барков A.B., Баркова H.A. Неразрушающий контроль: Справочник: Т. 7: В 2 кн. Кн. 2: Вибродиагностика, М.: Машиностроение, 2005. - 829 с.

6. Барков A.B. «Диагностирование и прогнозирование состояния подшипников качения по сигналу вибрации» Судостроение №3, 1985. С. 21-23.

7. Барков A.B., Баркова H.A. Вибрационная диагностика машин и оборудования. Анализ вибрации. СПб.: Изд. центр СПбГМТУ, 2004. -152 с.

8. Барков A.B., Баркова H.A., Азовцев А.Ю. Мониторинг и диагностика роторных машин по вибрации. СПб: Изд. центр СПбГМТУ, 2000. -185 с.

9. Ю.Бейтмен Г., Эрдейи А. Таблицы интегральных преобразований. М.: Наука, 1969.-344 с.

10. П.Бойт, Каус. Цифровая электроника: пер. с нем. / К. Бойт. М.: Техносфера, 2007. - 471 с.

11. Болотин В.В. Прогнозирование ресурсов машин и конструкций.- М.: Машиностроение, 1984. 104 с.

12. Большая советская энциклопедия. Стробоскопические приборы: сайт. URL: http://bse.chemport.ru/stroboskopicheskiepribory.shtml.

13. В.М. Шарапов, М.П. Мусиенко, Е.В. Шарапова Пьезоэлектрические датчики. Москва: Техносфера, 2006. 632 с.

14. Василенко Г.И., Тараторин A.M. Восстановление изображений. М.: Мир, 1979.-432 с.

15. Вибрации в технике: Справочник.- т. 31/ Под ред. Дименейберга Ф.М. и Колесникова К.С.- М.: Машиностроение, 1980. 544 с.

16. Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков A.C. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов, М.: Энергоиздат. - 1989. -С. 124- 162.

17. Волков В.В., Луизов A.B., Овчинников Б.В. Эргономика зрительной деятельности человека. — Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989. 112 с.

18. Головин И.Н., Лебедев Н.В. Контрастно-частотные характеристики фотоприемника на ПЗС с учетом режима временной задержки и накопления // Техника средств связи. Серия техника телевидения, 1988. Вып. 6 С. 72-77.

19. Гордеев Б.А., Новожилов М.В., Образцов Д.И. Применение ультразвукового метода в вибродиагностике легковых автомобилей // Метрология. 1990. № 6. С. 33—36.

20. ГОСТ 12.4.012-83 Вибрация. Средства измерения и контроля вибрации на рабочих местах. Технические требования.

21. ГОСТ 15114-78 Системы телескопические для оптических приборов. Визуальный метод определения предела разрешения.

22. ГОСТ 16819-71 Приборы виброизмерительные. Термины и определения.

23. ГОСТ 23262-88 Системы акустические бытовые. Общие технические условия.

24. ГОСТ 24346-80 Вибрация. Термины и определения.

25. ГОСТ 25364-97 Вибрация. Агрегаты паротурбинные стационарные. Нормы вибрации опор валопровода и общие требования к проведению измерений.

26. ГОСТ 30296-95 Аппаратура общего назначения для определения основных параметров вибрационных процессов. Общие технические требования.

27. ГОСТ 31193-2004 Вибрация. Определение параметров вибрационной характеристики самоходных машин. М.: Стандартинформ, 2008. - 23 с.

28. ГОСТ 31248-2004 Вибрация. Измерение и анализ общей вибрации, воздействующей на пассажиров и бригаду рельсового транспортного средства- М.: Стандартинформ, 2008. 18 с.

29. ГОСТ ИСО 2954-97 Вибрация машин с возвратно-поступательным и вращательным движением.

30. ГОСТ ИСО 7919/3-2002 Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерения вибрации на вращающих валах. Промышленные машины и комплексы.

31. ГОСТ Р ИСО 10816-4-99 Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерений вибраций на невращающихся частях.

32. Графкина, М.В. Охрана труда и производственная безопасность: учеб. для учреждений сред. проф. образования по техн. специальностям / М.

33. B. Графкина. М.: Проспект, 2008. - 421 с.

34. Гребенников О.Ф. Основы записи и воспроизведения изображения. -M.: Искусство, 1982. 239 с.

35. Григорьев Н.В. Вибрация энергетических машин. Справочное пособие.-JL: Машиностроение, 1974. 464 с.37.3ак Е. Когерентные световые методы измерения параметров механических колебаний // Зарубежная радиоэлектроника. 1975. № 12.1. C. 70-76.

36. Зверев Г.А. Оценка надежности изделия в процессе эксплуатации /

37. Иванов Н.Г. Инженерная акустика. Теория и практика борьбы с шумом. -М.: Логос, 2008.-423 с.

38. Иориш Ю.М. Виброметрия. Измерение вибрации и ударов. Общая теория, методы и приборы. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Машгиз, 1963. стр. 468 - 469.

39. Каули Дж. Физика дифракции. М. Мир,1979. - 432 с.

40. Ким К.К. Метрология, стандартизация, сертификация и электроизмерительная техника / К.К. Ким и др.; Под ред. К.К. Кима. -СПб: Питер, 2008. 367 с.

41. Клюев В.Б. Приборы и системы для измерения вибрации шума и удара: справочник .- М.: Машиностроение, 1978.-Т.1. 448 с.

42. Коллакот Р. А. Диагностирование механического оборудования: Пер с англ. JL: Судостроение, 1980. - 296с.

43. Колмаков В.Н. Стробоскоп. // Патент России № 93007146.

44. Конов В.И. Взаимодействие лазерного излучения с веществом. Силовая оптика/ Вейко В.П., Либенсон М.Н., Червяков Г.Г., Яковлев Е.Б. М.: Физматлит, 2008.-308 с.

45. Кукин П.П. Безопасность жизнедеятельности. Безопасность технологических процессов и производств (охрана труда) / П.П. Кукин и др.. 5-е изд., стер. - М.: Высш. шк., 2009. - 335 с.

46. Латыев, С.М. Конструирование точных (оптических) приборов. СПб: Политехника, 2007. - 578 с.

47. Максименко А.Н. Диагностика строительных, дорожных и подъемно-транспортных машин/ Максименко А.Н., Антипенко Г.Л., Лягушев Г.С.; Под ред. А. Н. Максименко. СПб: БХВ-Петербург, 2008. - 301 с.

48. Мироненко A.B. Фотоэлектрические измерительные системы. М. Энергия, 1967. - 360 с.

49. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов: Учеб. пособие для приборостроительных вузов. 2-е изд. -Л.: Машиностроение, Ленингр. отделение, 1983. - 696 с.

50. Михайлов В.А. Поперечные апертурные характеристики преобразователя изображения на ПЗС // Техника средств связи. Серия техника телевидения, 1985. Вып. 5. С. 25-31.

51. Назаров Н. Г. Метрология. Основные понятия и математические модели. М.: Высшая школа, 2002. 348 с.

52. Пановко Г.Я. Лекции по основам теории вибрационных машин и технологий: учебное пособие для вузов / Московский государственный технический университет им. Н.Э Баумана. М.: Изд-во МГТУ, 2008. - 192 с.

53. Пронин С.П. Мира // Патент России № 2232374 2004.

54. Пронин С.П. Оценка качества информационно измерительной оптико-электронной системы: Монография /Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова. Барнаул: Изд-во Ал-тГТУ, 2001. - 125 с.

55. Пронин С.П., Юденков A.B., Зрюмов Е.А. Контроль параметров вибрации объекта по оптическому изображению тест-объекта на экране монитора персонального компьютера // Естественные и технические науки. 2009. - № 5 (43). - С 268-274.

56. РМГ 29-99. Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и определения.

57. Руководство по эксплуатации строительных конструкций производственных зданий промышленных предприятий/ ЦНИИпромиздат М. Стройиздат, 1981 - 85 с.

58. Савельев, И.В. Курс общей физики. Изд. 8-е, стер. - СПб. и др.: Лань, 2007.-400 с.

59. Самойлович Г.С. Возбуждение колебаний лопаток турбомашин.- М.: Машиностроение, 1975. -288 с.

60. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов СПб.: Питер, 2002. -608 е.:

61. СЗНМ, научная деятельность: сайт. URL: http://szmn.sbras.ru/HBC/ 1997/n48/f6.html.

62. Сизиков B.C. Устойчивые методы обработки результатов измерений.- СПб.: «СпецЛит», 1999. 240 с.

63. Сойфер В.А. Дифракционная компьютерная оптика / Д.Л. Головашкин и др.; М. : Физматлит, 2007. - 736 с.

64. Технические средства диагностирования: Справочник / Под общ. ред. В.В. Клюева. М.Машиностроение, 1989. - 672 с.

65. Технология машиностроения: учебное пособие для вузов / М.Ф. Пашкевич Минск: Новое знание, 2008. - 477 с.

66. Трофимова Т.И. Курс физики. Оптика и атомная физика: теория, задачи и решения. М.: Высшая школа, 2003. - 287 с.

67. Хуанг Т. Обработка изображений и цифровая фильтрация. М.: Изд-во «Мир», 1979. - 320 с.

68. Челомей В.Н. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т. М.: Машиностроение, 1981; Т. 5. Измерения и испытания. - Под ред. Генкина М.Д. 1981. 496 с.

69. Шкаликов B.C. Проверка и градуировка виброизмерительных приборов. Серия «Приборы и устройства радиоэлектронной техники и автоматики». Л., изд. ЛДНТП, 1969. 376 с.

70. Шкаликов B.C., Пеллинец B.C., Исакович Е.Г., Цыган Н.Я. Измерение параметров вибрации и удара, М. Изд-во стандартов 1980. 278 с.

71. Юденков A.B., Зрюмов Е.А., Пронин С.П. Контроль амплитуды вибраций с помощью пирамидальной миры // Ползуновский альманах. — 2007. -№3. С. 94-95.

72. Юденков A.B., Зрюмов Е.А., Пронин С.П. Контроль собственных колебаний строительных конструкций // VI Межрегиональная научно-техническая конференция «Строительство: материалы, конструкции, технологии»: Тез. докл. Братск, 19-21 марта 2008 г. - С. 36-37.

73. Явленский К.Н., Явленский А.К. Вибродиагностика и прогнозирование качества механических систем. JL: Машиностроение, 1983. — 239 с.