автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Оптико-электронный измерительный комплекс для микропирометрии наносекундного разрешения

На правах рукописи

БОРОНЕНКО МАРИНА ПЕТРОВНА

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ МИКРОПИРОМЕТРИИ НАНОСЕКУНДНОГО РАЗРЕШЕНИЯ

05.11.07 -Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 3 СЕН 2015

Ханты-Мансийск - 2015 г.

005562640

005562640

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Югорский государственный

университет»

Научный руководитель:

Гуляев Павел Юрьевич

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Югорский государственный университет», г. Ханты-Мансийск

Официальные оппоненты:

Лисицын Виктор Михайлович

доктор физико-математических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, профессор кафедры лазерной и световой техники ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский политехнический

университет», г. Томск

Суранов Александр Яковлевич

кандидат технических наук, доцент кафедры радиофизики и теоретической физики ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный университет», г. Барнаул

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный университет геосистем и технологий» (СГУГиТ), г. Новосибирск

Зашита состоится «12» октября 2015 г. в 9 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д212.268.01 на базе ФГБОУ ВПО «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» (ТУСУР) по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40, ауд 201.

С диссертацией можно ознакомиться на сайте

http://www.tusur.iWru/science/education/dissertations и в библиотеке Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники по адресу: 634045 г. Томск, ул. Красноармейская, 146.

Автореферат разослан « Я »СВН^ЬрИ2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.268.01 доктор физико-математических наук

' ¡/(:.- Мандель Аркадий Евсеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

Успехи в области экспериментальной физики, техники, производства тесно связаны с совершенствованием методов получения и обработки измерительной информации, средств измерения параметров исследуемых или контролируемых процессов. К особому классу можно отнести установки, позволяющие осуществлять бесконтактное получение сведений об изучаемом объекте.

Основным показателем качества измерительного прибора является получаемое от него количество информации о значении измеряемой величины [Новицкий П.В., 1968 г.]. Для характеристики погрешности измерительных устройств П.В. Новицкий использует энтропийное значение погрешности у=К5 (5-среднеквадратичная погрешность, К-значение энтропийного коэффициента). Учитывая, что термодинамические шумы подчиняются нормальному закону распределения, энергетический порог чувствительности идеального прибора составит 3,5-10'20Дж. Для реального прибора энергетический порог чувствительности С=Нгш/г!л где - энергетический кпд. В теории Новицкого общее уравнение любого измерительного устройства записывается как

у21 Р=согил

Различные приборы, имея одну и ту же степень совершенства (порог чувствительности), различаются между собой только разным распределением произведения между сомножителями. И, если прибор имеет выигрыш в быстродействии, то обязательно проиграет в энергопотреблении. Относительно других измерительных средств, оптико-электронные системы (ОЭС) заметно выигрывают информационной емкостью. Информационная емкость /э одного элемента изображения определяется числом разрядов двоичного кода, которым передается любой из т уровней квантования, и вычисляется по формуле /э=/ой2»1. Тогда информационная пропускная способность системы, определяется выражением [Новицкий П.В., 1968 г.]:

I=NxnxIog2(m+l),

где N — число элементов в кадре, п-число передаваемых изображений в секунду, ш-число градаций яркости. Поэтому преимущества использования ОЭС, в основе которых видеокамеры на матричных фотоприемниках для измерений очевидны. Из анализа литературных источников следует, что в данном случае комплектация базовых элементов видеокамеры должна предопределяться малыми значениями облученности фоточувствительного сенсора на высоких скоростях ввода кадров и малых временах накопления. Для компенсации недостатка освещенности часто применяют электронно-оптический преобразователь (ЭОП) на микроканальных пластинах (МКП) [Беркин А.Б.,

2007 г.], в итоге, регистрируемое оптическое излучение трижды подвергается преобразованиям типа излучение «-» поток электронов.

В условиях малой интенсивности сигнала на полученный результат оказывают влияние шумы ОЭС [Пустынский И.Н., 1972 г.; Ван дер Зил А., 1979.; Йесперс П., 1979]. Анализ имеющихся публикаций выявил наличие еще одной проблемы ОЭС, созданных на базе видеокамер с ЭОП - наличие времени послесвечения люминофора, покрывающего экран. Однако причина остаточного свечения люминофорного экрана может быть сокрыта в инерционности МКП, обусловленной временем перезарядки емкости каналов т = RC. Типичное значение времени т в МКП составляет 10"2-10~3с [Беркин А.Б., 2008 г.]. Независимо от причины, остаточное свечение экрана иногда является тормозящим фактором исследований [Олешко В.И., 2007 г.; Антоненков Д А., 2014 г.; Hirvonen L. M., 2015 г.] быстропротекающих процессов. Обычно, без изменения аппаратной части ОЭС, решить эту проблему не удается [Marchenko S.V., 1987 г.; Ехменина И.В., 2013 г.].

Не смотря на то, что область применения ОЭС постоянно расширяется, диагностика плазменного напыления обычно реализована на стандартных установках, таких как DPV-2000, Accuraspray-g3, SprayWatch, ThermaViz ™ и др.

Ансамблевые методы (Accuraspray -g3, ThermaViz ™ и др.), основаны на измерениях обобществленных параметров частиц, занимающих некоторый объем, и не могут предоставить информацию о форме или дисперсии температуры частиц, и, следовательно, не могут полностью описать вклад каждой частицы в полученный результат. Поэтому взаимосвязь между характеристиками частиц и свойствами покрытия является неполной и не однозначной. Методы измерения температуры ансамбля частиц более практичны и удобны для применения в промышленных масштабах, но результаты менее точны.

Одночастичные методы предпочтительны для научных исследований, их используют для оценки температуры отдельных частиц. Среднее значение, стандартное отклонение, статистическое распределение плотности температуры частиц, определяемое одночасгичными методами (P. Fauchais, M. Vardelle, Georg Mauer. Robert Vaßen. Detlev Stöver и др.), дают понимание процесса плавления частиц. Одночастичные методы устанавливают более полную взаимосвязь между характеристиками частиц и свойствами покрытия, хотя занимают много времени и сложны в применении. Однако замер скорости и температуры частиц происходит в разные моменты времени. Если процесс нестационарный, усредненное значение, полученное экспериментальным путем, будет сильно отличаться от истинного. При этом относительная погрешность измерения температуры составит около 5%, абсолютная 20% [Fauchais P., Vardelle M. Sensors in spray processes //Journal of thermal spray technology. -2010. - T. 19. - № 4. - C. 668-694].

Осуществляемый этими методами контроль температуры и скорости частиц в струе очень важен для оптимизации процессов термического напыления. Учитывая выше сказанное, повышение точности микропирометрических измерений, производимых ОЭС, остается актуальным.

Таким образом, целью диссертационного исследования является разработка ОЭС, предназначенной для высокоскоростных микропирометрических измерений, в частности, порошковой металлургии и технологий самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были сформулированы следующие задачи:

1. Выбор базовой комплектации оптико-электронной системы, позволяющей осуществлять измерение основных теплофизических параметров быстропротекающих процессов плазменного напыления и твердопламенного горения.

2. Исследование физических явлений и процессов в звеньях оптико-электронной системы при помощи оптического излучения с целью выявления шумов и повышения помехоустойчивости ее работы.

3. Разработка способа и алгоритма обработки и анализа оптического излучения, регистрируемого при исследовании высокотемпературных быстропротекающих процессов с помощью ОЭС.

Основными методами решения поставленных задач являются методы экспериментальной физики, методы специальной цифровой обработки изображений, методы математической статистики и обработки экспериментальных данных.

Научная новизна заключается в развитии методов использования ОЭС для исследований и диагностики высокотемпературных быстропротекающих процессов:

1. Разработку метода увеличения помехоустойчивости ОЭС, позволяющего уменьшить влияние паразитного (остаточного) свечения люминофора до 12Д6 при работе системы в линейной области преобразования свет - сигнал и увеличить точность измерений яркостной температуры на данной ОЭС без изменения аппаратной части.

2. Усовершенствование метода измерения яркостной температуры отдельных нагретых частиц, движущихся в потоке плазмы. Введение поправочного коэффициента к обратно пропорционального длине трека, измеряемой целым числом пиксел в изображении движущейся и светящейся нагретой частицы, позволяет учесть влияние скорости её движения на уменьшение видеосигнала фотоматрицы в режиме накопления заряда, а пересчет эффективного времени экспонирования движущейся частицы одним пикселом

фотоматрицы осуществляется путем перемножения поправочного коэффициента на величину общего времени накопления ячейки, что позволяет использовать калибровку ОЭС по яркостной температуре неподвижного эталона, а измерения проводить на быстродвижущихся частицах.

3. Разработку метода применения ОЭС для диагностики двухфазных потоков, основанного на измерении средней скорости частиц в потоке и их погонной плотности, позволяющего оценить величину интенсивности потока независимо от температуры и дисперсионного состава;

4. Разработку методики визуализации интегрального излучения реакции СВС, отображенного по шкале времени в условных цветах.

Обоснованность н достоверность научных результатов определяется большим объемом выполненных экспериментов, использованием методов математической статистики и обработки экспериментальных данных, применением методов экспериментальной физики и цифровой обработки информации. На всех этапах проводилось сопоставление известных теоретических сведений и полученных результатов. Основные результаты работы неоднократно докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях.

Практическая ценность диссертации. Практическая значимость полученных результатов связана с созданием метода экспериментального определения динамических постоянных движения и нагрева отдельных частиц в плазменном потоке, дающего возможность постановки и корректного решения обратной задачи, т. е. определение температуры и скорости плазмы по результатам высокоскоростной регистрации треков калиброванных частиц, например «нано-маркеров» с известными теплофизическими свойствами.

Предлагаемый метод диагностики двухфазных потоков рекомендуется использовать для исследования нагрузочной способности двухфазных потоков, а также как индикатор предельного технологического состояния плазмотрона и перехода в неустойчивые режимы напыления. Кроме того, методика позволяет визуализировать данные в удобной для анализа форме.

Реализация результатов работы. Предложенная ОЭС реализована в программных пакетах 1п^е.1 и Оп§шРго, что позволило создать лабораторный стенд [4, 14, 18, 21, 26-27, 34, 36] для обучения студентов и апробации разрабатываемых методов [1-3, 5-13, 15-17, 1920, 22, 25, 28, 30-33, 35-36] и позволяет осуществлять комплексную диагностику высокотемпературных быстропротекающих процессов. Результаты исследований внедрены в учебный процесс подготовки бакалавров Югорского государственного университета (ОСНИ) [1, 13, 26, 28, 30, 34-36]. Часть исследований по тематике диссертационной работы

проводилась при финансовой поддержке Минобрнауки РФ (задание № 2014/505 на выполнение государственных работ в сфере научной деятельности в рамках базовой части) и при поддержке внутреннего гранта Югорского государственного университета [3, 6, 17-18, 32-35]. ОЭС применялась для совместных с НИТИ УлГУ исследований колебательных процессов на жидком электроде при электрическом разряде [7], подана заявка №2015123313 на регистрацию метода измерения.

Апробация работы. Материалы диссертации обсуждались: S Всероссийский молодежный конкурс научно-исследовательских работ по фундаментальной и прикладной физике (Ml ТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2012 г.); S XVI Международная конференция по методам аэрофизических исследований (Казань,

2012 г.);

«Physical, mathematical and chemical sciences: theoretical trends and applied studies» Materials digest of the LI International Research and Practice Conference and I stage of the Championship in physical, mathematical and chemical sciences (London, 2013 г.);

Международная заочная научно-практическая конференция «Естественные и математические науки: вопросы и тенденции развития» (Новосибирск, 2013 г.); •f XI Международная конференция «Газоразрядная плазма и ее применения» (Томск,

2013 г.);

S Научно-практическая конференция «Наука и образование XXI века» (Уфа, 2013 г.);

24-ая Международная конференция по компьютерной графике и зрению «ГрафиКон'2014»;

■S 1st International Academic Conference "Science and Education in Australia, America and Eurasia: «Fundamental and Applied Science» (Melbourne, 2014 г.); ^ Научный семинар НИТИ УлГУ 2014 г.

Школа-конференция с международным участием «Saint-Petersburg OPEN 2015» по Оптоэлектронике, Фотонике и Наноструктурам», Санкт-Петербург, 2015г. На защиту выносятся:

1. Модель учета паразитного свечешм люминофора, обусловленного током абсорбции в МКП, позволяет увеличить соотноше1ше сигнал/шум до 12 Дб в линейной области преобразования свет - сигнал.

2. Методика калибровки ОЭК для микропирометрии наносекундного разрешения, позволяет учесть уменьшение видеосигнала фотоматрицы, работающей в режиме накопления заряда, за счет уменьшения времени экспонирования при перемещен™ излучателя со скоростями 100- 1140м/с.

3. Методика определения температуры частиц конденсированной фазы, движущихся в гетерогенных потоках со скоростями 100-1140м/с и имеющих температуру не ниже 1500К, заключающаяся в суммировании видеосигнала по длине зарегистрированного трека, позволяет использовать калибровку ОЭС по неподвижному АЧТ при ее работе в режиме мультиэкспозиции.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 38 работ, из них 9 статей из Перечня

ВАК.

Личный вклад. Все результаты диссертационной работы получены автором лично или при непосредственном его участии. Работы [11, 17, 25] выполнены без соавторства. В статьях, опубликованных в соавторстве, личный вклад автора состоит в следующем: в публикациях [20, 22, 33, 34, 37-38, 43] автором произведена визуализация части экспериментальных данных; в статьях [16-17,45-47] автору принадлежит обработка, анализ и визуализация части экспериментальных данных; в трудах [18-19, 23- 24, 26, 28-30, 32, 35-36, 41, 50] определены способы решения поставленных задач, выбраны и реализованы методы анализа экспериментальных данных; в работах [15, 27, 40,42, 44, 48-49] автору принадлежит постановка задач и руководство исследованиями. Организация проведенных экспериментов выполнена в работе [7].

Автор выражает глубокую благодарность всем соавторам. Особую благодарность хочется выразить научному руководителю доктору технических наук, профессору Гуляеву Павлу Юрьевичу за постоянное внимание и помощь при подготовке диссертационной работы.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 142 страницах машинописного текста, содержит 65 рисунков, список литературы из 158 наименований.

Краткое содержание работы.

Во введении обосновывается актуальность, научная новизна, теоретическая и практическая ценность диссертации, определяются цель и задачи работы.

Первая глава диссертационной работы посвящена обзору [17] ОЭС, применяемых для осуществления контроля теплофизических параметров бысгропротекающих процессов. В главе рассмотрены виды современных матричных фотоприемников, проведен анализ режимов работы ПЗС и ФДМ сенсоров, на основе которых создаются современные высокоскоростные ОЭС исследовательского назначения. В ходе анализа обозначен ряд нерешенных проблем высокоскоростной микропирометрии.

Во второй главе рассмотрено предлагаемое аналитическое описание ОЭС [4, 18], физические процессы, происходящие в оптико- электронном тракте. Представление о работе ОЭС (рис. 1.) основано на информации НПО Асгек - официального дилера «Фаствидео» о

Рис. 1. Функциональная схема работы ОЭС

высокоскоростных матрицах Cypress и Aptina с разрешением SXGA, технических характеристиках самой матрицы Micron-Aptina МТ9М413, сведениях о гибридно-модульных преобразователях изображения для низкоуровневых телевизионных систем (Волков В.Г., 2006 г.). Глава содержит описание физических процессов, происходящих при преобразовании регистрируемого сигнала в оптико- электронном тракте видеокамеры ВидеоСпринт -базовом элементе аппаратной части ОЭС. В математической модели учтено, что, в общем случае, яркость экрана ЭОП обладает нелинейной зависимостью интенсивности свечения люминофора. Глава включает обоснование выбора программного обеспечения для ОЭС, описание методов обработки цифровых изображений и получения количественной информации об исследуемом процессе. В конце главы сформулированы выводы.

В третьей главе изложены результаты оригинальных экспериментальных исследований шумовых и фотометрических характеристик ОЭС [21, 34], содержится описание методик подавления шумов и калибровки [12-13, 22, 36] ОЭС, описание выявленных особенностей [34] функционирования оптико-электронного тракта, расчет методической погрешности выделения контуров. Представлены результаты исследования свет- сигнальной характеристики ОЭС и приведены расчеты чувствительности ОЭС [Криксунов Л.З., 1978 г., Якушенков, Ю. Г., 1989 г.; Пустынский И.Н., 2009 г.] на эффективной длине волны. Объяснения наблюдаемых явлений взяты из теоретических сведений, излагаемых современными авторами. В конце главы сформулированы выводы.

В разделе 3.1. излагается методика обнаружения шумов ОЭС, описываются выявленные шумы и способы их подавления Для выяснения вида шумов ОЭС и их причин

Непостоянство сигнала во времени каждой фоточувствительной ячейки матицы КМОП, составляет 0,4%.

В разделе 3.2. приведены результаты экспериментального исследования временных характеристик люминофорного экрана. Стабильность отклика ОЭС изучалась путем облучения входного зрачка видеокамеры с ЭОП постоянным во времени тепловым излучением, регистрируемым на разных частотах ввода кадров. Обнаружен постепенный рост его интенсивности при ЮООСз. Время нарастания свечения люминофора составило г=Зх10"3с (рис.3.), что превосходит максимально возможное время экспозиции 1э=20х10"6с. Экспериментальные данные в интервале 0-0,003с хорошо аппроксимируются функцией вида:

где /-отклик ОЭС, к, с - константы, определяемые при аппроксимации (разные для каждого времени накопления). Поэтому для выбора линейного режима работы ОЭС необходима регулировка напряжения на МКП, что требует проведения дополнительной калибровки. Тушение люминесценции, проявляемой на временах наблюдения более 0,003с, описывается аппроксимирующей функцией:

/ = 6- 1п(?-а)

где Ь, а- константы, определяемые при аппроксимации. Начиная с некоторого времени экспозиции, в данном случае с 2,5мкс, тушения люминесценции не наблюдается (рис.3.а) и кинетика излучения полностью описывается функцией:

/ = /1(1-ехр(-/Ь('-с)))

Тушение люминесценции на больших временах накопления обуславливает

сравнивались сигналы видеокамеры на CMOS фотодиодной матрице и такой же камеры с ЭОП. После фильтрации шумов значение стандартного отклонения пространственного распределения сигнала по кадру, составляет менее 0,5% (рис.2.б).

Рис. 2. а) Яркостное поле темнового сигнала в условных цветах до фильтрации; б) Значение стандартного отклонения после вычитания «опорного» кадра

нелинейность свет - сигнальной характеристики При импульсном облучении люминофора излучением высокой интенсивности свет - сигнальная характеристика, снятая с первых кадров линейна (рис.3.б).

0 8

1 '

/

г

Ч 10001/5. Т=1400 С. и=1011У

* ♦ мкс

♦ -110 мкс

» ▼ т . * _

т * _ 5 мкс

Временной срез интенсивности сигнала, регистрируемого на разной »«слоэиции

100006. Т=1400С, Ц=101IV

• 1 МКС -0.5 мкс 20 мкс 501В

2: * II

Я 5

0,000 0,001 0,002 0.003 0.004 0.005 О.ООв 0,007 0 006 0.009 0.010 0.011 Время, с

измерения в каждом 1 кадре

б)

Время накопления. I

Рис.3, а) Временная развертка отклика фоточувствительной ячейки камеры с ЭОП на постоянный световой импульс при разной экспозиции; б) «Временной срез» значений интенсивности сигнала в кадрах

Изложены результаты исследования кинетики свечения люминофора при работе ОЭС в режиме мультиэкспозиции. Частота ввода кадров ограничивается значением, определяемой формулой, предоставленной производителем камеры:

\=1/[[э х(Ыэ-1)+Тэ 1000 мкс], где ЮООмкс-время послесвечения люминофора. Исследование отклика ОЭС, работающей в режиме мультиэкспозиции, происходило при максимальном количестве стробирующих импульсов Ы, =14, интервале между импульсами 1э =44мкс, времени экспозиции затвора сенсора Тэ =20мкс, частоте ввода кадров Ы3 =1000. При этом межкадровый интервал должен быть равен: (1-1000хТ)/999=0,ООО 148с, что на порядок меньше заявленного производителями времени, необходимого для полного гашения послесвечения люминофора. Очевидно, что на последовательности кадров яркость оставленного трека будет исчезать постепенно. Тогда становиться возможным исследование кинетики затухания свечения люминофора [34, 36] при максимальном напряжении на МКП и=1011В. Затухание свечения люминофора, наблюдаемое в последовательности кадров, представлено на рис.4.(б). В среднем, время затухания свечения люминофора составляет 4мс. Т.к. время послесвечения люминофора, покрывающего экран ЭОП равно 1мс, то наблюдаемое явление можно объяснить не послесвечением люминофора, а инертностью МКП. На определение постоянных времени ускорения и нагрева частиц данный вид погрешности не оказывает влияния, т.к. в методике определения времен используется один кадр, а не их последовательность и треки выбираются без пересечений с другими треками.

а)

Г

Я

ШГ б)

0.0010 0,0015 О.КПО 0,0025 0,0030 0 0035 0.00« 0.0045 Время t, секунды

Рис.4, а) Экспериментальный стенд; б) Послесвечение люминофора, наблюдаемое в последовательности кадров; в) Аппроксимация экспериментальных данных

Без учета изложенных фактов, в измерения температуры быстропротекаюших процессов при помощи данной ОЭС, может быть внесена дополнительная погрешность. Для того чтобы уменьшить вносимую паразитным (остаточным) свечением люминофора погрешность, необходимо из исследуемого кадра вычесть добавочный фон, обусловленный оставшимся послесвечением люминофора предыдущего кадра. Яркость [¡, зарегистрированная в первом кадре каждым из детекторов, имеет составляющие шумовую /„, и полезный сигнал loi. Тогда следующий кадр обусловлен 1Ш, I02 и остаточным свечением люминофора [¡„cm- Причем Iiocm возможно рассчитать исходя из известного закона затухания свечения люминофора и осуществив межкадровый вычет, тем самым повысив точность измерения яркости треков на 30%:

//ост=Ц'//,

h=hu+Io2+ Uocm-\LU

где ц-коэффициент затухания люминофора, определяемый из известного закона затухания паразитного свечения люминофора, обусловленного инертностью МКП. Отношение сигнал шум можно оценить по графикам, представленным на рисунке 5.

а)1

V >

1 кадр

■ \

2 кадр

8 » 5.

СК 10

Амплитуда сигнала вдоль линии

/, П /1

— о — довычета

• вычет ---послесвечение

U

* ?■> f/îl I Ш» V W П i

Л H 1/ЛУ M \*1 lll.v,

HrL^l ¡Ш W 1 i iviï UTÎH-n Ni/]rt'H

v y y y v •; U ;

6)

координата, yen.единицы

Рис.5. Пояснения к расчетам увеличения отношения сигнал/шум

Минимумы соответствуют амплитуде оставшегося паразитного сигнала в кадре, максимумы -полезному сигналу. Формула, используемая для расчета:

А.,.

5/Й?(с1В) = 20 •

где /^ОДОТ-САпо^Хпах -эффективное (среднеквадратичное) значение амплитуды шума. Таким образом, алгоритм повышения помехоустойчивости гибридной ОЭС, позволил увеличить соотношение сигнал/шум на 12Д6 без изменения ее аппаратной части.

В 4 главе изложены результаты применения ОЭС для проведения оригинальных исследований высокотемпературных быстропротекающих процессов СВС, опубликованные в [3, 14, 16, 20,28-30, 32, 35]. Изложена методика калибровки ОЭС, позволяющая применять ее для микропирометрии [3, 12, 14, 16, 32-33, 35] высокотемпературных объектов, движущихся со скоростями 100-1140м/с.

б)

в)

излучающая частица

""ДФ" "

1375 1400 14» 1460 1415 1500 1535 1550 1515 1« Локальная ттаператур!. К

1525 1650 1575 1700 1725

Дф2 ДФ,

матрица

' 4сР1

1 7ор2

' ^ерч

фотоприемника

Рис.6, а) Статистика локальных температур в активной ячейке; б) Активная область; в) Дискретизация сигнала движущейся частицы.

Раздел 4.1. содержит информацию о методике проведения экспериментов СВ-синтеза, в которых теплофизические параметры волны горения определялась при помощи ОЭС. Описываются наблюдаемые в экспериментах процессы, изложены методика определения эффективной температуропроводности системы №-А1, результаты исследования структурообразования, происходящего в процессе СВ- синтеза, приведен анализ тепловых полей волны горения. Кроме измерений времен тепловыделения и теплоотвода, скорости фронта горения и др., существует возможность оценить размеры и времена существования фаз (рис.6, а, б). Описаны наблюдаемые в процессе горения эффекты «вторичной волны» и многостадийных реакций. Изложена методика получения полезной модели, описывающей

целостную моментальную картину интегрального излучения, выделяющегося в ходе всего СВ-синтеза, с представлением временной шкалы в условных цветах.

В разделе 4.2. приведены результаты реализации ОЭС для высокоскоростной микропирометрии плазменного напыления [2, 4-5, 9-11, 15, 26-28]. Раздел содержит информацию об экспериментальном стенде, методику измерения температуры отдельных частиц, движущихся в потоке при напылении порошковых покрытий.

При определении температуры по тепловому излучению частицы диаметра й (выраженных в количестве пикселов размера ¡¿), ее яркостной температуре ставится в соответствие средняя яркость полученного изображения. Покоящаяся частица засвечивает на матрице область, включающую пхщ пикселов определенной яркости. Тогда заряд каждого из детекторов (пикселов) накапливался в течение всего времени экспозиции. Считается, что наиболее вероятное значение сигнала равно усредненной яркости засвеченной площади. Наиболее вероятному значению яркости засвеченной площади ставиться в соответствие температура излучающего объекта. В течение всего времени экспозиции засветке подвергаются одни и те же детекторы.

ь,

/=——, /их п

При ее пространственном перемещении, регистрируется трек длины на котором укладывается £/£> таких частиц (рис.б.в). В разные моменты времени, облучению подвержены разные детекторы. Детекторы, которые были задействованы в случае неподвижного излучателя, облучаются только во время прохождения частицы в поле их «обзора». Ситуация равносильна тому, что излучатель неподвижен, но время экспозиции меньше и равно времени (1 прохождения частицы вдоль детекторов, засвечиваемых в случае неподвижного излучателя:

Скорость частицы на всем времени регистрации трека считаем постоянной. Таким образом, можно узнать температуру движущегося излучателя, сопоставив соответствующую градацию яркости пикселов изображения на другом времени накопления.

В разделе 4.2-3. приведена теоретическая модель И.П. Гуляева [10], описывающая движение полых сферических частиц в потоке плазмы, позволяющая произвести оценку времени нагрева и ускорения частиц.

В разделе 4.2.4. описан экспериментальный способ определения времен нагрева и ускорения частиц в потоке плазмы в режиме т-кратной экспозиции. На изображении

устраняют шум, производят оконтуривание и сегментацию. Трек частицы можно представить некоторым целочисленным количеством пикселов, содержащим практически 100% яркости сигнала. Яркость излучения в дискретном представлении будет выражаться формулой:

/-Л

где п, ш -число пикселов вдоль трека по оси X и К По выделенным трекам частиц определяют их скорость и температуру, соответствующую каждому из сегментов, строятся графики скорости и температуры частиц от времени. Приведенная методика эксперимента оправдана при анализе отдельных частиц и слабо запыленных плазменных струй, но при увеличении количества конденсированной фазы необходимо учитывать ее взаимодействие с потоком плазмы, который имеет ограниченную нагрузочную и пропускную способность, что отражается в виде фундаментальной диаграммы потока

Раздел 4.3. содержит описание коллективного движения частиц в плазменном потоке. Основой физической модели коллективного движения частиц в плазме является представление двухфазного потока в виде движения двух взаимопроникающих континуумов газовой фазы и частиц конденсированной фазы [Нигматулин Р. И., 1987 г.]. В рамках гидродинамической модели существует взаимно однозначная зависимость между скоростью частиц и плотностью потока, что позволило построить фундаментальную диаграмму.

В заключении сформулированы выводы.

- Установлено, что после фильтрации шумов ОЭС, относительная погрешность пространственного распределения сигнала по кадру, составляет менее 0,5%, непостоянство сигнала во времени каждой фоточувствительной ячейки матицы КМОП, составляет 0,4%.

- Методическая погрешность автоматизированного выделения контуров микрообъектов не хуже 4%. Разработанный способ применения ОЭС, позволяет проводить анализ температуры отдельных частиц в слабо запыленных плазменных потоках, экспериментально определять динамические постоянные движения то и нагрева тт отдельных частиц в плазменном потоке.

- Обнаружена нелинейная свет - сигнальная характеристика ОЭС. Установлено, что свет -сигнальная характеристика, построенная по измерениям, произведенным до наступления тушения люминесценции, аппроксимируется прямой линией.

- Обнаружено постепенное (1=3х 10"3с) нарастание свечения люминофора при имкп=Ю11В, 1000173 и паразитное свечение 1=4х 10"3с люминофора, обусловленное процессами перезаряда в каналах фотоумножителя.

- Установлено, что обнаруженные эффекты не ухудшают разрешающую (наносекундную) способность ОЭС, т. к. стробированне с экспонированием 20нс в режиме мультиэкспозиции дает изображение на одном кадре.

- Разработана методика калибровки ОЭС, учитывающая особенности работы МКП и, как следствие, кинетики свечения люминофора, покрывающего экран ЭОП. Методика позволяет выбрать линейный режим работы ОЭС.

- Установлено, что предложенная методика повышения помехоустойчивости гибридной ОЭС, позволяет увеличить соотношение сигнал/шум на 7-12Д6 в линейной области преобразования свет - сигнал за счет учета в физической модели оптико-электронного тракта эффекта паразитного свечения люминофора [34, 36, 38], обусловленного процессами перезаряда в каналах фотоумножителя.

- Установлено, что введение поправочного коэффициента к, учитывающего влияние скорости её движения на уменьшение видеосигнала фотоматрицы в режиме накопления заряда, позволяет разработать методику калибровки оптико-электронного измерительного комплекса наносекундного разрешения, заключающаяся в сопоставлении средней яркости зарегистрированного на экспозиции т изображения трека и средней яркости изображения тарировочной области неподвижного эталонного АЧТ, зарегистрированного на экспозиции к*т. Разработанная методика позволяет использовать ОЭС в качестве микропирометра -анемометра для двухфазных потоков с частицами с!тщ=33мкм, движущимися со скоростями 100 -1140м/с температурами не менее 1500К [2-3, 5-8, 10-12, 14-16, 27-28, 30, 32-35].

- Установлено, что методика определения температуры частиц конденсированной фазы, движущихся в гетерогенных потоках со скоростями 100-1140м/с и имеющих температуру не ниже 1500К, заключающаяся в суммировании видеосигнала по длине зарегистрированного трека, позволяет использовать калибровку ОЭС по неподвижному АЧТ при ее работе в режиме мультиэкспозиции.

- Разработан метод применения ОЭС для диагностики двухфазных потоков, основанный на измерении средней скорости частиц в потоке и их погонной плотности. Предлагаемый метод отличается тем, что позволяет оценить величину интенсивности потока независимо от температуры и дисперсионного состава.

- Установлено, что применение ОЭС для исследований быстропротекающих процессов СВС расширяет возможности исследований и позволяет проводить детальное исследование фазообразования; выявлять и исследовать многостадийные и вторичные процессы СВС и др.

Вышеизложенные факты свидетельствуют о возможности эффективного использования ОЭК для диагностики быстропротекающих процессов.

Список опубликованных работ по теме диссертации.

1. Оптическая диагностика дисперсионного состава топливно-воздушного факела [Текст] / Л. Ю. Атюцкая [и др.] // Фундаментальные исследования. - 2013. - № 8, Ч. 6. - С. 1297-1302.

2. Методы контроля температуры и скорости частиц конденсированной фазы в процессе плазменно-дугового напыления [Текст] / М. П. Бороненко [и др.] // Фундаментальные исследования,-2013. -№ 10,4. 6.-С. 1194-1199.

3. Бороненко, М. П. Изменения в порошковых СВС-материалах под воздействием плазмы [Текст] / М П. Бороненко, А. Е. Серегин, И. В. Милюкова // Фундаментальные исследования. - 2014. - № 9, Ч. 3. - С. 536-541

4. Бороненко, М. П. Телевизионная измерительная система наносекундного разрешения [Текст] / М. П. Бороненко, П. Ю. Гуляев // Доклады ТУСУРа - 2014. - Т. 31.-№ 1.-С. 60-64.

5. Измерение скорости и температуры частиц в потоке низкотемпературной плазмы [Текст] / М. П. Бороненко, И. П. Гуляев, П. Ю. Гуляев, А. Е. Серегин // Известия вузов. Физика. - 2014. -Т. 57, №3,-С. 73-77.

6. Оценка скорости и температуры дисперсной фазы в струях плазменно-дугового напыления [Текст] / М. П. Бороненко [и др.] //Фундаментальные исследования. - 2014. - №11, Ч. 10. - С. 2135-2140.

7. Особенности кинетики колебаний жидкого электрода при прямом электрическом разряде [Текст] / А. М. Орлов [и др.] // Письма в ЖТФ. - 2015. - Т. 41, Вып. 5. - С. 26-34.

8. Бороненко, М. П. Диагностика распределения частиц по температурам в технологии плазменного напыления [Текст] / М П. Бороненко, П. Ю. Гуляев, А. В. Долматов // Ползуновский альманах. - 2010. - № 2. - С. 71-73.

9. Бороненко, М. П. Определение фундаментальной диаграммы потока ламинарного плазмотрона с постоянной подачей порошка [Текст] / М. П. Бороненко, П. Ю. Гуляев, А. Л. Трифонов // Вестник Югорского государственного университета. —2012. - № 2. - С. 16-20.

10. Бороненко, М. П. Диагностика распределения частиц по температурам в технологии плазменного напыления [Текст] / М. П. Бороненко, И. П. Гуляев, А. Е. Серёгин. - Вестник Югорского государственного университета. - 2012. - № 2. - С. 7-15.

11. Бороненко, М. П. Измерение виртуальной температуры движущихся частиц высокоскоростными телевизионными ccd-камерами в режиме накопления заряда [Текст] / М. П. Бороненко // Ползуновский альманах. - 2012. - № 2. - С. 58-61.

12. Бороненко, М. П. Виртуальные системы микропирометрии процессов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза на основе программ origin и

imagej [Текст] / M. П. Бороненко, П. Ю. Гуляев // Ползуновский альманах. - 2012. - № 2. - С. 45-47.

13. Исследование процессов впрыска топлива с помощью метода обработки оптического изображения в программе ImageJ [Текст] / М. П. Бороненко [и др.] // Ползуновский альманах. -2012,-№2.-С. 89-91.

14. Бороненко, М. П. Использование высокоскоростной видеокамеры в микропирометрии быстропротекающих процессов [Текст] / М. П. Бороненко, А. Е. Серегин // Естественные и математические науки: вопросы и тенденции развития : материалы международной заочной научно-практической конференции (1 апреля 2013 г.) - Новосибирск : Иэд-во «СибАК», 2013. - 150 с.

15. Бороненко, М. П. Определение основных тегагофизических параметров процессов плазменного напыления [Текст] / М. П. Бороненко, И. П. Гуляев, А. В. Долматов. - Вестник Югорского государственного университета. - 2013. - № 2. - С. 7-16.

16. Бороненко, М. П. Эффективная теплопроводность неплотно упакованных порошков в волне СВ-синтеза [Текст] / М. П. Бороненко, И. В. Милюкова, А. Е. Серегин. - Вестник Югорского государственного университета - 2013. - № 2. - С. 16-22.

17. Бороненко, М. П. Обзор применения высокоскоростных телевизионных измерительных систем в физическом эксперименте [Текст] / М. П. Бороненко // Вестник Югорского государственного университета. - 2014. -№ 2. - С. 43-55.

18. Бороненко, М. П. Метрологические характеристики телевизионной измерительной системы наносекундного разрешения [Текст] / М. П. Бороненко, П. Ю. Гуляев // Вестник Югорского государственного университета. - 2014. - № 2. - С. 68-73.

19. Экспериментальное исследование кинетики аморфизации и эволюции микроструктуры частиц титана в процессе измельчения на планетарной мельнице [Текст] / JI. Ю. Атюцкая [и др.] // Сборник материалов XXVII Всероссийской конференции студентов-физиков (Екатеринбург, 25 марта - 1 апреля 2011г.). - Екатеринбург, 2011. - С. 566-567.

20. Атомно-силовая и туннельная микроскопия границы механосплавления титан-сталь в высокоэнергонагруженных планетарных мельницах [Текст] / Л. Ю. Атюцкая [и др.] // Сборник материалов XXVII Всероссийской конференции студентов-физиков (Екатеринбург, 25 марта- 1 апреля 2011г.).-Екатеринбург, 2011. -С. 613-614.

21. Бороненко, М. П. Фотометрические характеристики скоростной видеокамеры ВидеоСпринт при регистрации быстропротекающих процессов [Электронный ресурс] / М. П. Бороненко, П. Ю. Гуляев // Технические науки\12.Автоматизированные системы управления на производстве. - URL: http://www.rusnauka.com/10_DN_2012Arecnic/12_103951.doc.htm (дата обращения 14.05.2012).

22. Бороненко, М. П. Наносекундные методы определения температуры волны реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза [Электронный ресурс] / М. П. Бороненко, П. Ю. Гуляев // Конференция с международным участием для студентов, магистрантов и аспирантов "Космос и наука". - URL: http://www.spacephys.ru/konferentsiya-s-mezhdunarodnym-uchastiem-dlya-studentov-magistrantov-i-aspirantov-kosmos-i-nauka (дата обращения 14.05.2012)

23. Эффективность сорбции разливов нефти механоактивированными порошками цеолита [Текст] / П. А. Юрукин [и др.] // XXVIII Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых : сб. матер. - Красноярск : Изд-во АСФ России, 2012. - С. 650651.

24. Гибридные фильтры-нейтрализаторы на основе №зА1 и механоактивированных порошков цеолита [Текст] / Л. Ю. Атюцка, [и др.] // XXVIII Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых : сб. матер. - Красноярск : Изд-во АСФ России, 2012,- С. 652-653.

25. Бороненко, М. П. Исследование факела распыла топлива с помощью метода обработки оптического изображения в программе ImageJ [Текст] // Сборник научных трудов региональной научно-технической конференции. - Ханты-Мансийск ЮГУ, 2012. - С. 91-96.

26. Бороненко, М. П. Идентификация быстропротекающих процессов горения с помощью стробоскопического метода [Текст] / М. П. Бороненко, А. А. Иванов // Сборник трудов Всероссийский молодежный конкурс научно-исследовательских работ по фундаментальной и прикладной физике / НИИ радиоэлектроники и лазерной техники МГТУ им. Н.Э.Баумана. -Москва, 2012.-Т. 1.-С. 14-20.

27. Boronenko, М. P. Track analysis of particle velocity flow of plasmotron with continual powders [Text] / M. P. Boronenko, P. Yu. Gulyaev. - International Conference on the Methods of Aerophysical Research, (August 19-25, 2012, Kazan, Russia): Abstracts. Pt. II. - Kazan, 2012. - P. 47^19.

28. Identification of quickly proceeding processes of burning by means of a stroboscopic method [Text] / M. P. Boronenko [et al.] // International Conference on the Methods of Aerophysical Research, (August 19-25, 2012, Kazan, Russia): Abstracts. Pt. II. - Kazan, 2012. - P. 49-50.

29. Бороненко, M. П. СВ-синтез наноструктурных материалов ni-al-ze для каталитической конверсии попутных нефтяных газов [Текст] / М. П. Бороненко, П. Ю. Гуляев, А. Е. Серегин // Нанотехнология в теории и практике : Всероссийская научная Интернет-конференция с международным участием : материалы конф. (Казань, 22 мая 2013 г.) / Сервис виртуальных конференций PaxGrid ; сост. Д. Н. Синяев. - Казань : ИП Синяев Д. Н., 2013. - С. 26-29.

30. Атюцкая, Л. Ю. Экспериментальное исследование твердопламенного горения системы NI-AL методом скоростной видеосъемки [Текст] / Л. Ю. Атюцкая, А. Г. Бебия, М. П. Бороненко // Physical, mathematical and chemical sciences: theoretical trends and applied studies» Materials digest of the LI International Research and Practice Conference and I stage of the Championship in physical, mathematical and chemical sciences (London. May 21 - May 26). -Лондон, 2013. - P. 34-38.

31. Optical diagnostics of nanodispersive structure of the air-fuel jet / Л. Ю. Атюцкая, [и др.] // Материалы Всероссийской научной интернет-конференции с международным участием «Нанотехнологии в теории и практике». Сервис виртуальных конференций PaxGrid. - Казань, 2013.-С. 162-168.

32. Бороненко, М. П. Диагностика тепловых полей фронта горения СВС в системе NiAl [Текст] / М. П. Бороненко, И. В. Милюкова, А. Е. Серегин // Australianscience review, Melbourne. - 2014. - № 1. - P. 91-95.

33. Бороненко, M. П. Визуализация и анализ тонкой тепловой структуры волны горения СВС в программе ImageJ [Текст] / М. П. Бороненко, А. Е. Серегин // Труды XXIV Международной конференции по компьютерной графике и зрению ГрафиКон. - Ростов-на-Дону, 20I4.-C. 108-110.

34. Полухина, К. К. Exploration of time of afterglow of luminescent screen electro - optical of converter [Текст] / К. К. Полухина, М. П. Бороненко // Proceedings of the 3rdInternational conference on Eurasian scientific development. «East West» Association for Advanced Studies and Higher Education GmbH. - Vienna, 2014. - P. 112-117.

35. Boronenko, M. P. Experimental study of solid-flame combustion by the ni-al system method of high-speed video filming [Text] / M. P. Boronenko, L. Yu. Atyckaja, A. G. Bebia. // GISAP : Physics, Mathematics and Chemistry. - London, 2014. - № 3. - P. 23-27.

36. Бороненко M. П. Повышение помехоустойчивости оптико-электронной системы на базе видеокамер с электронно-оптическим преобразователем / Бороненко М. П., Гуляев П. Ю., Серегин А. Е., Бебия А. Г. — Фундаментальные исследования. - 2015. - №. 2-11,- с. 2323 -2327.

37. Orlov А. М. et al. Kinetics of oscillation of a liquid electrode in direct electric discharge //Technical Physics Letters. - 2015. - T. 41. - №. 3. - C. 221-224.

38. Boronenko M. P. Increasing the noise immunity of optical-electronic systems based on video cameras with an optical converter [Электронный ресурс] / M. P. Boronenko, P. Yu. Gulyaev, A. E. Seregin, K. G. Poluhina // 2nd International School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures, St. Petersburg, Russia, April 6-8, 2015. - URL: http://elib.spbstu.ru/dl/2/5495.pdC>. (дата обращения 20.05.2015)

Тираж 100 экз. Заказ 916. Югорский государственный университет 628012, Ханты-Мансийский автономный округ - Югра, г. Ханты-Мансийск, ул. Чехова, 16 7 (3467) 357-797