автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Оптоэлектронный метод и прибор для контроля плановых смещений гидротехнических сооружений

На правах рукописи

Крук Дмитрий Евгеньевич

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ МЕТОД И ПРИБОР ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПЛАНОВЫХ СМЕЩЕНИЙ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

05.11.13 - приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Красноярск - 2004

Работа выполнена в Научно-техническом центре радиоэлектроники «Мезон» Красноярского государственного технического университета (КГТУ).

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Шайдуров Георгий Яковлевич.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Черемисин Александр Алексеевич

кандидат технических наук, профессор Мусонов Владимир Михайлович

Ведущая организация: Институт физики Красноярского научного центра СО |>АН (г. Красноярск)

2 оеьчвР^я

Защита состоится ж» 2004г. в

часов на заседании

диссертационного совета Д 212.098.03 при Красноярском государственном техническом университете по адресу: 660074, г. Красноярск, ул. Киренского, 26, КГТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КГТУ

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью составителя, заверенные печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Автореферат разослан 2004г.

Учёный секретарь диссертационного соврта, к.т.н., профессор

Вейсов Е.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из тенденций развития современного общества является повышение требований к промышленным предприятиям с точки зрения сохранения экологии окружающей среды и рационального природопользования, что, в свою очередь, порождает спрос на технологии мониторинга природно-техногенной сферы и обеспечения безопасности промышленных объектов.

Плотины гидротехнических сооружений являются объектами повышенной опасности и требуют непрерывного всеобъемлющего контроля за состоянием их целостности и прогнозирования динамики их прочности как в период строительства, так и в период эксплуатации, что отражено в Федеральном законе о безопасности гидротехнических сооружений и иных нормативных актах Российской Федерации.

Особую важность представляет проблема геодезического контроля плановых смещений тела плотины, которая в общем случае решается измерением смещений контрольных точек от положения вертикальных струнных отвесов, заложенных в конструкцию гидротехнического сооружения на этапе строительства.

Имея достоверную информацию о перемещении системы струнных отвесов, можно не только оценить текущие смещения тела плотины, но и осуществлять краткосрочный и долговременный прогноз поведения плотины в периоды наполнения и сброса воды.

В настоящее время в России автоматизированное измерение плановых смещений контрольных точек плотины по прямым и обратным струнным отвесам производится двухкоординатными преобразователями координат индуктивного типа.

Проведённый анализ выявил, что данные средства измерения на сегодняшний день в моральном и техническом плане полностью устарели,

обладают рядом существенных недостатке^ с о Н#

библиотека

С Пете; 09 ЮВ'

шш!1: :ка I

ш}

ровочное

время, аналоговый интерфейс, низкая помехоустойчивость и др., вследствие чего требуют серьёзной модернизации или полной замены.

В то же время анализ научно-технической информации по проблеме измерений координат струнных отвесов гидротехнических сооружений позволяет сделать вывод, что существующие в мировой практике альтернативные методы и средства измерений (оптико-механические и оптоэлектронные) также обладают рядом значительных недостатков, среди которых общими являются низкий уровень автоматизации и высокая стоимость установки и эксплуатации изделий.

Например, цена ручного оптического координатографа производства «Фрайбергер прецизионс-механик-ГмбХ», Германия при точности измерений в 100 мкм составляет порядка 10000$. Неавтоматизированный оптический «Ecartometr» (Германия) при точности 100 мкм и диапазоне перемещений 25мм предлагается за 6500 Euro.

Таким образом, проблема автоматизированного геодезического контроля гидротехнических сооружений и получения качественной оперативной информации о состоянии плотины продолжает оставаться весьма актуальной, учитывая, что данная проблема напрямую связана с проблемой безопасности целых регионов.

Применение системного подхода позволяет сделать вывод, что наиболее оптимальный результат по критерию цена/качество на пути решения обозначенной проблемы состоит в разработке новой оптоэлектронной технологии измерений, с использованием датчиков координат нового типа, на основе современных достижений микроэлектроники, схемотехники, приборостроения, технологий создания и управления корпоративными базами данных, а также современных методов построения сетей передачи данных по цифровым каналам связи.

Тема работы соответствует следующим позициям перечня «Приоритетные направления развития науки и техники и критические технологии федерального уровня»:

Экология и рациональное природопользование:

• Технологии мониторинга природно-техногенной сферы

• Технологии обеспечения безопасности продукции, производства и объектов

Информационные технологии и электроника:

• Опто- и акустоэлектроника

Целью работы является разработка оптоэлектронной технологии измерений координат струнных отвесов гидротехнических сооружений, позволяющая получить оценку координат струнного отвеса на основе одновременной обработки сигналов с двух ортогональных систем объектив-фотоприёмник, и включает в себя в т.ч. следующие задачи исследования:

1. Исследование и научное обоснование оптоэлектронного метода измерений координат протяжённого объекта на основе одновременной обработки сигналов с двух ортогональных систем объектив-фотоприёмник.

2. Разработка методики расчёта оптической системы, позволяющей получить на поверхности фотоприёмного устройства изображение регистрируемого объекта требуемого качества и масштаба при заданных условиях измерений.

3. Разработка математической модели оптоэлектронной системы как инструмента для моделирования процесса измерений с целью оценки параметров оптоэлектронной системы при заданной точности измерений.

4. Экспериментальное исследование оптоэлектронного метода измерений по п.1, в т.ч. создание опытного образца измерителя и оценка достигаемой точности измерений.

5. Исследование методов определения координаты изображения объекта на поверхности фотоприёмника.

6. Исследование и оценка факторов, влияющих на точность измерений.

7. Исследование возможности переноса технологии оптоэлектронных измерений на другие задачи измерений в геодезии. Методы исследования. В диссертационной работе, для решения поставленных задач использовались методы геометрической и дифракционной оптики, метрологии, математической статистики, теории вероятностей, математический анализ, экспериментальные методы, методы вычислительного моделирования.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

• Комплексно исследована проблема дистанционного контроля плановых смещений данной точки гидротехнического сооружения от положения вертикали струнного отвеса.

• Дано научное обоснование оптоэлектронного метода и алгоритма измерений координат протяжённого объекта на основе одновременной обработки сигналов с двух ортогональных систем объектив-фотоприёмник

• Разработана математическая модель оптоэлектронной системы для исследуемой задачи, позволяющая оценить параметры оптоэлектронной системы при заданной погрешности измерений Практическая значимость и внедрение результатов исследований:

На основе разработанной методики расчёта оптической системы реализован программный продукт, позволяющий производить оценку основных параметров оптической системы для заданных условий измерений, полученные результаты использованы при решении практических задач, связанных с экспериментальной проверкой предложенного метода измерения.

По результатам исследований в 2003г создан экспериментальный образец оптоэлектронного устройства для измерения координат струнных отвесов гидротехнических сооружений ФПКС-1, в апреле 2003г. прошедший испытания в лаборатории ЛГТС ОАО "Саяно-Шушенская ГЭС им. П.С. Непорожнего", при этом среднеквадратичная ошибка измерений координат

не превысила ±25мкм по каждой координате. По результатам испытаний экспериментальный образец был передан в опытную эксплуатацию на метрологическую точку плотины Саяно-Шушенской ГЭС, которая проводились в период с 25.04.2003г. по 08.10.2003г.

С учётом полученных научных и практических результатов создан модернизированный вариант ФПКС-2, в 2004г прошедший испытания для целей утверждения типа средств измерений «Фотоэлектронные преобразователи координат струнных отвесов ФПКС-2» в Госстандарте РФ.

Два промышленных образца изделия ФПКС-2 в настоящее время установлены на метрологических точках плотины Саяно-Шушенской ГЭС.

Результаты диссертационной работы вошли в проведённые на базе НТЦР «Мезон», КГТУ, г. Красноярск, в 2001-2004гг. 3 НИОКР, выполненных по заказу ОАО «Саяно-Шушенская ГЭС им. П. С. Непорожнего» и ОАО «Зейская ГЭС».

Результаты, полученные в диссертации, позволили повысить точность и достоверность определения координат струнных отвесов гидротехнических сооружений при полной автоматизации процесса измерений и существенном снижении стоимости эксплуатации соответствующего сегмента АСУ.

Достоверность научных и практических результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждается согласованием теоретических расчётов, математического моделирования и экспериментальных исследований, а также:

• актами о внедрении результатов диссертационной работы

• свидетельством №10-502 от 03.06.2004г о поверке средства измерений «Фотоэлектронные преобразователи координат струнных отвесов ФПКС-2», выдано ФГУП «Сибирский Государственный Ордена Трудового Красного Знамени Научно- Исследовательский Институт Метрологии», г.Новосибирск.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Аналитические выражения, составляющие уравнение связи координат струнного отвеса с параметрами сигналов с двух ортогональных

оптоэлектронных систем, позволяющее исключить методическую погрешность измерения координат вследствие зависимости показаний оптоэлектронной системы от расстояния до объекта.

2. Промышленный оптоэлектронный прибор для измерения координат струнных отвесов с точностью не хуже ±100 мкм в диапазоне перемещений струны ±50 мм.

3. Результаты вариационного анализа влияния случайных отклонений параметров оптической системы на общую погрешность измерения.

Апробация работы и публикации: Результаты проводимых исследований докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции молодых учёных и студентов «Современные проблемы радиоэлектроники» в г. Красноярске (2002, 2003, 2004гг), а также на ряде научно-технических советов на ведущих предприятиях гидроэнергетики.

По материалам диссертации опубликовано 7 работ, в том числе одна статья в рецензируемом журнале «Гидротехническое строительство», подана авторская заявка на изобретение. Основные результаты теоретических и экспериментальных работ вошли в отчеты по 3-м НИОКР.

Структура и объём диссертации:

Диссертация содержит основной текст на 156 с, 40 иллюстраций, в т.ч. 4 фотографии, 6 таблиц, приложения на 5 с, список использованной литературы из 45 наименований, в т.ч. публикации автора.

Личный вклад автора: в защищаемых материалах автору принадлежит: исследование и разработка теории оптоэлектронного преобразования применительно к исследуемой задаче, разработка и исследование математической модели оптико-электронного преобразования на ЭВМ, исследование ошибок, разработка опытного образца прибора, его лабораторные и натурные испытания.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава посвящена исследованию текущего состояния проблемы контроля и прогнозирования плановых смещений плотины по результатам измерения отклонений контрольных точек сооружения от вертикали струнных отвесов. Выяснено, что в настоящее время известные в мировой практике средства измерения координат струнных отвесов классифицируются по типу преобразования координат на три группы: оптико-механические, оптоэлектронные и индукционные.

Ручные оптико-механические координатографы, хотя и обладают высокой точностью и надёжностью, являются дорогостоящими прецизионными инструментами и не позволяют автоматизировать процесс измерений, что особенно важно для многоточечного контроля.

Известные оптоэлектронные измерители зарубежного производства также не позволяют решить проблему вследствие необходимости доработки системной части измерительного комплекса, отличаются сложностью монтажа системы, при этом стоимость установки и ввода в эксплуатацию измерительной системы составляет более десяти тысяч долларов за одну метрологическую точку.

В России в настоящее время основным средством измерения координат струнных отвесов остаются двухкоординатные индукционные преобразователи координат (ПИДС) (рисунок 1), разработки Новосибирского института прикладной геодезии.

В данной конструкции регистрируемым параметром является разность ЭДС, наведённой струной с током в каждую пару катушек:

Рисунок 1 - Схема расположения измерительных катушек относительно струны и направление магнитного поля тока струны

Как следует из рисунка 2, графики разности ЭДС Е1,Еу> являются

сложными функциями измерительных координат струны х,у и конструктивных параметров ПИДС, при этом решение двух систем уравнений типа (1) для координат х,у будет иметь несколько корней, причем могут быть области неоднозначности или вообще не имеющие сходящихся решений. Это один из существующих недостатков принятого способа измерений в ПИДС.

Рисунок 2 - Расчетная зависимость разности ЭДС в измерительных катушках от координат струны при

Проведённый анализ показывает, что при используемом в ПИДС алгоритме расчета координат струны (1) небольшие вариации коэффициентов передачи аналоговых элементов тракта приводят к существенным ошибкам в отсчете координат. Как мера устранения этих ошибок предлагается переход на измерение относительного параметра Е -Е

с использованием на входе аналого-цифрового

преобразователя. Основным же источником погрешности ПИДС является разбаланс датчиков за счёт загрязнения поверхности и окисления железа, что является неустранимым недостатком индукционного способа измерений.

Принципиально новым решением является оптоэлектронный метод измерений (рисунок 3), согласно которому искомые координаты объекта оцениваются на основе одновременной обработки сигналов с двух ортогональных систем объектив-фотоприёмник.

5

Рисунок 3 - Обобщённая структурная схема оптоэлектронного измерителя координат струнных отвесов: 1 - струна отвеса, 2 - объектив, 3 -оптоэлектронная матрица, 4 - источник света, 5 - отражающий экран

Изучение патентного фонда и доступных источников показывает, что в настоящее время оптоэлектронный способ измерений координат струнных отвесов не разработан до уровня тиражируемой технологии или законченного продукта, что позволяет говорить о создании новой патентнопригодной технологии измерений в геодезии.

Во второй главе исследована возможность измерения малых перемещений оптоэлектронными методами, в т.ч.:

1. Исследована оптическая система, позволяющая получить на поверхности фотоприёмного устройства изображение регистрируемого объекта с требуемым качеством на заданном расстоянии с учётом возможных смещений объекта в пределах заданного поля наблюдения, разработана методика оценки геометрических и светотехнических параметров оптической системы.

2. На положение изображения объекта (струнного отвеса) на поверхности фотоприёмника существенное влияние оказывают продольные смещения объекта вдоль оптической оси, что приводит к методической ошибке в определении координат (рисунок 4):

Рисунок 4 - Смещение предмета вдоль оптической оси системы: Н- главная плоскость линзы, В - плоскость фотоприёмной матрицы, 0 - центр координат

3 2 1

Зависимость приращения координаты изображения объекта на поверхности фотоприёмника от смещения объекта вдоль оптической

оси определяется как:

1 1

Ду'=/>(-

(2)

</-/' (й-П-Ьх

Наиболее приемлемым способом устранения данной ошибки является использование специального вычислительного алгоритма, в котором координаты струны определяются на основе одновременной обработки сигналов с двух ортогональных оптоэлектронных систем и решения соответствующего уравнения связи. Другим возможным способом является разработка сложного объектива с глубиной резкости, превышающей диапазон допустимых перемещений регистрируемого объекта.

3. Выражение для расчёта координат объекта по показаниям двух ортогональных систем объектив-фотоприёмник было получено на основе соотношений геометрической оптики и выглядит следующим образом:

(3)

где Ы- общее число пикселей на фотоприёмнике; пространственный период оптоэлектронной матрицы;

- центр изображения объекта на фотоприёмнике по координатам

хну, [пикс];

- фокусные расстояния соответствующих оптических систем;

Выражение (3) и симметричное ему выражение для у составляют уравнение связи координат струнного отвеса с показаниями двух ортогональных оптоэлектронных систем, позволяющее определить текущие

координаты объекта с учётом любых смещений в пределах поля наблюдения оптических систем:

г) \ (3)

На рисунке 5 представлена расчётная координатная поверхность показаний фотоприёмника пх от смещения объекта по координатам хяу при ¿=300 мм и /-60,6мм.

Рисунок 5 - Расчётная координатная поверхность показаний фотоприёмника пх от смещения объекта по координатам х и у. Таким образом, в силу линейности связи п^х)^^^ можно сделать

вывод о пригодности предложенного алгоритма для проведения измерений. При этом неопределённость, возникающая вследствии зависимости показаний фотоприёмника от расстояния до объекта устраняется учётом показаний двух ортогональных систем объектив-фотоприёмник, т.е. за счёт ввода в систему второй измеряемой величины.

4. В настоящее время известен ряд алгоритмов определения координаты изображения на поверхности фотоприёмника. Для исследуемой задачи интерес представляют три основных алгоритма: по центру

квантованного на два уровня видеосигнала, по максимуму видеосигнала и по центру тяжести видеосигнала.

В простейшем случае координата изображения определяется по центру квантованного на два уровня видеосигнала с выхода фотоматрицы, в этом случае задача сводится к определению двух интервалов времени, достаточно просто решаемая методом дискретного счёта (рисунок 6).

СЧ1

-,ИН1 * РУ

ГТИ ти & -

ВС .П. п г>

Рисунок 6 - Структурная схема измерителя двух временных интервалов методом дискретного счёта: ВС - видеосигнал, ГТИ - генератор тактовых импульсов, СЧ - счётчик, РУ - решающее устройство, тх/, т& -координаты фронта и среза полезного сигнала.

Более точным является алгоритм определения координат изображения по центру тяжести полезного сигнала, достоинства которого заключаются в возможности более точного определения центра изображения объекта на поверхности фотоматрицы за счёт взвешенного учёта удельного веса дискретизированного сигнала с каждого элемента матрицы в общем полезном сигнале.

Кроме того, применение аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) позволяет проводить периодическую самонастройку прибора с измерением уровня темнового сигнала с каждого элемента фотоматрицы при отсутствии засветки (закрытом объективе) и последующего вычитания темнового сигнала из полученной реализации непосредственно в процессе измерений, т.е. компенсации геометрических шумов, вносимых фотоэлектронным преобразователем.

Недостатком применения АЦП является необходимость использования быстродействующих (tnp=0,1...10 мке) АЦП и соответствующих быстродействующих микроконтроллеров.

5. Одним из ключевых элементов оптоэлектронной системы является фотоэлектронная матрица, выполненная на основе твердотельных полупроводниковых приемников, преобразующих оптическое излучение определённого диапазона в электрический сигнал. Для исследуемой задачи наиболее эффективным представляется использование ПЗС-матриц с объёмным каналом, т.к. они обладают большей светочувствительностью, разрешением и низким уровнем шумов по сравнению с КМОП-матрицами или ПЗС с поверхностным каналом.

При выборе оптоэлектронной матрицы следует учитывать, что в настоящее время в индустрии производства ПЗС существует ряд новых технологий (back illuminated, Super CCD, Foveon ХЗ, использование микролинз, микросветофильтров), применение которых позволяет, кроме увеличения спектральной чувствительности (квантовая эффективность современных полупроводниковых приемников достигает 95-98%), использовать специфичный функционал некоторых типов матриц.

Третья глава посвящена исследованию математической модели оптоэлектронной системы как инструмента для моделирования процесса измерений, позволяющим для ряда задач провести быструю предварительную оценку параметров оптоэлектронной системы при заданной точности измерений.

Полное аналитическое решение задачи построения адекватной математической модели действующего сигнала на каждом этапе преобразования с учётом помех весьма затруднительно, поскольку оно связано с вычислением корреляционных функции сигналов и помех при прохождении всех элементов оптоэлектронной системы и применением довольно громоздкого математического аппарата. С другой стороны, применение большого числа упрощающих допущений нежелательно, т.к

уводит от реальной картины моделируемого процесса. Задачей данного подраздела работы являлось разработка частных математических моделей действующих сигналов и процедур их обработки на элементах оптоэлектронной системы, позволяющих без излишнего огрубления моделируемых процессов получить оценку параметров оптоэлектронной системы при заданной точности измерений.

Моделирование фоно-целевой обстановки производилось, исходя из следующих соображений: т.к. в качестве фотоприёмника используется матрица, пространство изображений условно можно разбить на большое число площадок малого размера Принимая постоянной яркость фона в пределах площадки, всё пространство предметов можно представить в виде поля точечных источников, характеризуемых математическим ожиданием и дисперсией силы излучения в данной точке.

Вследствие влияния функции рассеяния точки (ФРТ) объектива величина сигнала от фона в пределах каждого пикселя есть сумма сигналов из нескольких соседних элементарных площадок, если радиус изображения больше В первом приближении в качестве распределения ФРТ можно принять распределение Гаусса, однако в реальных оптических системах распределение потока точечного излучателя по изображению отличается от функции Гаусса и, как правило, описание реальной ФРТ отсутствует. Поэтому более точные модели оптического преобразования могут быть получены лишь путём расчёта геометрического хода лучей через оптическую систему в рабочем диапазоне волн.

Полная формула для расчёта величины сигнала с выхода единичного элемента матрицы:

= ¿СД^сск4 с/]в,(ХУ№<11 (5)

где г^ - сила тока на выходе единичного элемента матрицы [А];

Е'Х(Я) - освещённость пикселя [лк];

V' - полевой угол пространства изображений [рад]; - площадь зрачка выхода [м2];

Г}(Х) - спектральная чувствительность приёмника [А/Вт];

'яда - время накопления [с];

к5 - коэффициент светопропускания, определяющий потери в оптической системе вследствие поглощения, отражения и рассеяния;

- коэффициент, учитывающий распределение виньетирования по полю;

а'- апертурный угол в пространстве изображений [рад];

2?, (А) - яркость элементарной площадки [кд/м2]; Следующий параграф главы 3 посвящен исследованию вносимых погрешностей на каждом этапе преобразования, в т.ч. получению аналитических выражений для действующих помех и вопросу их влияния на общий результат измерения.

Величина общей среднеквадратичной погрешности, вносимой на этапе оптоэлектронного преобразования для матриц с объёмным каналом практически полностью определятся геометрическим шумом и шумом считывания и может быть сведена к минимуму известными в литературе методами.

Погрешность аналогово-цифрового преобразования для современных АЦП в данном случае практически полностью характеризуется шумом квантования, максимальное значение абсолютной погрешности которого при равномерном квантовании составляет а среднеквадратическое значение

Н и

шаг квантования.

Погрешность измерения интервала времени определяется нестабильностью генератора тактовых импульсов оу, погрешностью запуска преобразователя отп и погрешностью дискретизации О^. Влияние первой

составляющей будет сказываться сильнее при измерении интервала времени от момента начала развёртки до момента появления полезного сигнала, третьей составляющей - при измерении ширины временных ворот. Для первой задачи достигаемая относительная погрешность дискретизации составляет порядка ад « 0,1%, для втор а^й^да н н ы е для аппаратуры ФПКС-1).

Для оценки погрешности измерения координаты при вариации параметров оптической системы необходимо найти полный дифференциал выражения (4) по всем априори переменным величинам.

В таблице 1 приведены расчётные значения частных производных выражения (4) для оптической системы с параметрами ¿,=4=300 мм.

Таблица 1 - Расчётные значения частных производных уравнения связи

у=-50 у=50

*=-50 *=0 х=50 х-50 х=0 х=50 *=-50 *=0 дг-50

дх дпх -0,062 -0,06 -0,057 -0,05 -0,05 -0,05 -0,037 -0,04 -0,042

дх д„у -0,011 0 0,0066 -0,012 0 0,008 -0,015 0 0,011

дх К -0,178 0 0,165 -0,209 0 0,209 -0,259 0 0,284

дх дс1у -0,031 0 0,044 0 0 0 0,044 0 -0,075

дх з/; 1,03 0 -0,954 1,034 0 -1,03 1,042 0 -1,171

дх т 0,178 0 -0,18 0 0 0 -0,252 0 0,309

Полученные количественные оценки показали, что:

1) Наибольшим по абсолютному значению весовым коэффициентом, характеризующим вклад данного аргумента в общую погрешность измерений обладает случайное отклонение от расчетного значения фокусного расстояния объектива, оптическая ось которого перпендикулярна измеряемой координате Исходя из этого возникают требования к стабильности ошической системы и окружающей среды (коэффициента преломления на границе сред линза/воздух).

2) При положении объекта на оптической оси этого объектива (х=0) на ошибку вычислений влияет только точность определения центра изображения объекта на поверхности фотоприёмника, вследствие чего общая погрешность измерений минимальна.

3) При перемещении объекта в сторону объектива абсолютные значения частных производных выражения (4) возрастают, т.е. увеличивается суммарная погрешность измерения.

В четвёртой главе изложены результаты экспериментальных исследований, в т.ч. лабораторных и натурных испытаний образца оптоэлектронного измерителя координат ФПКС-1:

Рисунок 7-ФПКС-1 20

На рисунке 8 представлена экспериментальная зависимость показаний ФПКС-1 по координате X [пике] от истинной координат^И^лученная на измерительном стенде ИМЦЛ 150x50,6 в лаборатории ЛГТС ОАО «Саяно-Шушенская ГЭС им. П.С. Непорожнего» путём перемещения микрометрическими винтами объектного столика с монтированным на нем прибором ФПКС-1 и отсчётом показаний ФПКС-1 на дисплее персонального ЭВМ, при этом среднеквадратическая ошибка по повторным стендовым наблюдениям не превысила 25 мкм. Строгая линейность полученной зависимости объясняется высокой стабильностью измерений (разброс показаний ФПКС-1 от измерения к измерению составил не более одного пикселя), что также подтверждает способность нового прибора к решению поставленной измерительной задачи.

Рисунок 8 - Экспериментальная зависимость показаний ФПКС-1 по координате от истинной координаты

Основные результаты, полученные на этапе экспериментальных исследований в ЛГТС ОАО "Саяно-Шушенская ГЭС им. П.С. Непорожнего":

1) Полностью подтверждены теоретические расчёты главы 2, касающиеся разработки оптической системы, способной сформировать при заданных расстояниях изображение струнного отвеса требуемого качества и размера с учётом возможных перпендикулярных смещений струны относительно оптической оси. В соответствии с проведёнными расчётами в устройстве была использована линза с оптической силой 17 дптр.

2) Доказана принципиальная возможность измерений координат струнных отвесов с требуемой точностью предложенным способом, в т.ч. с помощью разработанного устройства.

3) В соответствии с теоретическим анализом наблюдается смещённость оценки координат из-за влияния продольных смещений струны вдоль второй координаты, что приводит к ошибке в определении координат. Наиболее приемлемым способом снижения данной ошибки является использование специального вычислительного алгоритма, в котором координаты струны определяются исходя из решения системы уравнений, связывающих показания двух фотоприёмников, расположенных взаимно перпендикулярно

По результатам испытаний экспериментальный образец передан в опытную эксплуатацию на метрологическую точку плотины, проводившуюся в период с 25.04.2003г. по 08.10.2003г. Проведённые исследования заключались в регулярном взятии отсчетов X,Y ФПКС при помощи портативного компьютера с установленной специальной программой опроса прибора.

Оценка точности была выполнена по разностям двойных измерений (использовались измерения по координатометру), при этом среднеквадратичная погрешность по оси X составила СТ^О.15 ММ, по оси Y ау- 0.11 мм;

На графике (рисунок 9) представлены приращения замеров по прямому отвесу относительно 28.04.2003г, выполненные с помощью ФПКС-1 и ручного координатографа, при этом показания ФПКС-1 скорректированы

согласно полученной на этапе лабораторных исследований чувствительностью прибора Со=47,54 МКМ.

Замере,мн

.5 00 -

25 00

Апрель Май Июнь Ноль Август Сентябрь

Рисунок 9 - Приращения замеров по прямому отвесу в секции 33 на отметке 359м относительно 28.04.2003г.

Как следует из указанной зависимости, за время измерения наблюдался некоторый уход показаний ФПКС-1 от результатов измерений ручным способом, если первые 3,5 месяца среднеквадратическая ошибка измерений не превышала 100 мкм, то к концу периода измерений она составила величину порядка 300 мкм.

Основные причины расхождений заключаются в следующем:

1) Недостатках конструкции ФПКС-1, слабо защищенной от влияния вибраций и механических воздействий.

3) Неточном соответствии настройки прибора уровню освещённости и контрасту изображения, а также уходе «нуля» измерительного тракта (по результатам испытаний в варианте ФПКС-2 осуществлена автоподстройка прибора).

В июне 2004г. переработанный вариант изделия ФПКС-2 прошёл сертификационные испытания в ФГУП «СНИИМ», г. Новосибирск,

подтвердивший высокие метрологические характеристики изделия (среднеквадратическая погрешность не хуже ± 100мкм в диапазоне координат струны ±50мм). Два промышленных образца изделия в настоящее время установлены на метрологических точках плотины Саяно-Шушенской ГЭС.

В заключение главы 4 рассмотрены перспективы переноса разработанной технологии измерений на другие задачи геодезических измерений, установлено, что на основе полученных результатов представляется возможным решение задачи геодезического струнного створа, разработку которого для Зейской ГЭС ведёт НТЦР «Мезон».

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Научно обоснован оптоэлектронный метод измерения координат струнных отвесов на основе одновременной обработки сигналов с двух ортогональных систем объектив-фотоприёмник, позволяющий исключить методическую погрешность измерения, связанную с влиянием смещения струны по одной координате на измерение второй.

2. На базе данного метода разработан, испытан и сертифицирован в Госстандарте РФ промышленный прибор с точностью измерения не хуже ±100 мкм в диапазоне перемещений струны ±50 мм.

3. Разработана методика расчёта оптической системы и математическая модель оптоэлектронной системы, позволяющие быстро оценивать параметры подобных приборов для целого класса задач измерений, например, для решения задачи геодезического струнного створа.

4. Дальнейшим развитием исследований является прежде всего исследование и разработка оптических систем, позволяющих увеличить как точность, так и диапазон измерений, а также разработка теории и изготовление аппаратуры фрагментов автоматизированных подсистем оптоэлектронных преобразователей координат струнных отвесов с использованием современных методов построения аппаратуры АСУ ТП.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Крук Д. Е. О возможностях создания фотооптического измерителя координат струнных отвесов // Современные проблемы радиоэлектроники: Сборник научных трудов./ под общ. ред. Ю.В. Коловского: Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2002г. с.30-31.

2. Крук Д.Е., Шайдуров ГЛ. Модернизация измерения координат струнных отвесов гидротехнических сооружений // М. Гидротехническое строительство. № 1,2003г. с.3-6.

3. Крук Д.Е. О возможности измерения координат струнных отвесов по показаниям ортогональных оптоэлектронных преобразователей изображения // Современные проблемы радиоэлектроники: Сборник научных трудов, под научн. ред. А.В. Сарафанова: Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2003г. с.35-38.

4. Крук Д.Е. К оценке точности измерений координат струнных отвесов в задачах геодезического контроля // Современные проблемы радиоэлектроники: Сб. научн. тр./ под ред. А.И. Громыко, А.В. Сарафанова: Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2004г. с.61-62.

5. Крук Д.Е. Влияние продольных смещений объекта на ошибку измерений оптоэлектронного измерителя координат // Электронный журнал «Исследовано в России», 2004г. infomae.ru

6. Крук Д.Е., Шайдуров Г.Я. Оптоэлектронный метод и прибор для контроля плановых смещений гидротехнических сооружений // Институт радиоэлектроники Красноярского государственного технического университета. - Красноярск. 2004. - 9с. - Деп. в ВИНИТИ

7. Крук Д.Е., Шайдуров Г.Я. Устройство для автоматизированного определения координат струнных отвесов гидротехнических сооружений // авторская заявка на изобретение №2004107042 от 09.03.2004г.

Соискатель Д.Е.Крук

Отпечатано в ИПЦ КГТУ. Тираж 100 экз. Заказ 476/2. 660074, Красноярск, ул. Киренского, 28

92 0 с ;

РНБ Русский фонд

2005-4 18357

4

1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ СРЕДСТВ И МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНА Т СТРУННЫХ ОТВЕСОВ ГИДРОТЕХНИЧЕКИХ СООРУЖЕНИЙ

1.2 АНАЛИЗ ТОЧНОСТИ ИНДУКЦИОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ КООРДИНАТ

1.3 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.3.1. Предпосылки создания новой технологии измерения координат струнных отвесов

1.3.2. Возможные направления на пути создания измерителя координат нового типа

1.3.3. Формулировка задачи исследования

1.4 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОПТОЭЛЕКТРОННЫМИ МЕТОДАМИ

2.1 ОЦЕНКА ОСНОВНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОПТОЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ

2.1.1 Основные требования к оптической системе, общие соотношения

2.1.2 Оценка разрешающей способности и глубины резкости оптической системы

2.1.3 Оценка светотехнических параметров оптической системы

2.1.4 Влияние смещения объектива перпендикулярно к оптической оси

2.1.5 Смещение предмета вдоль оптической оси

2.1.6 Использование диафрагм

2.1.7 Пример расчёта оптической системы

2.2 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ТИПА ОПТОЭЛЕКТРОННОГО СЕНСОРА

2.3 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ИЗМЕРЕНИЙ

2.3.1 Определение уравнения связи координат регистрируемого объекта с показаниями фотоэлектронных преобразователей 67 2.3.2 Исследование алгоритмов определения координаты изображения объекта на поверхности фотоприёмника •

2.4 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

3. ОБЩАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОПТОЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ И

МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ

3.1 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОПТОЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ

3.1.1 Математическая модель фоно-целевой обстановки

3.1.2 Математическая модель оптического преобразования

3.1.3 Математическая модель оптоэлектронного преобразования

3.1.4 Методика моделирования оптоэлектронной системы на ЭВМ

3.2 ОСНОВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПОГРЕШНОСТИ И СПОСОБЫ ИХ МИНИМИЗАЦИИ

3.2.1 Шумы и искажения фотоприёмных матриц

3.2.2 Аналогово-цифровое преобразование

3.2.3 Погрешности измерения временных параметров сигнала

3.3 ВЛИЯНИЕ СЛУЧАЙНЫХ ОТКЛОНЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ НА ОБЩУЮ ПОГРЕШНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ.

3.4 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РАБОТ И НАПРАВЛЕНИЯ ДАЛЬНЕЙШЕГО РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ

4.1 НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ЦИФРОВОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ РАСЧЁТОВ НА ЭВМ

4.2 ОПИСАНИЕ ИСПЫТА ТЕЛЬНОГО СТЕНДА И РЕЗУЛЬ ТА ТЫ РАБОТЫ ЭКПЕРИМЕНТАЛЬНОГО МАКЕТА.

4.3 РЕЗУЛЬТАТЫ ЛАБОРАТОРНЫХ ИСПЫТАНИЙ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОБРАЗЦА

4.4 РЕЗУЛЬ ТА ТЫ ОПЫТНОЙ ЭКСПЛУА ТАЦИИ УСТРОЙСТВА НА МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ ТОЧКЕ ПЛОТИНЫ

4.4 ПЕРСПЕКТИВЫ ПЕРЕНОСА ТЕХНОЛОГИИ НА ДРУГИЕ ЗАДА ЧИ ИЗМЕРЕНИЙ - ГЕОДЕЗИЧЕСКИЙ СТРУННЫЙ СТВОР

4.5 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 140 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 142 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 144 ПРИЛОЖЕНИЯ

Актуальность темы. Одной из тенденций развития современного общества является повышение требований к промышленным предприятиям с точки зрения сохранения экологии окружающей среды и рационального природопользования, что, в свою очередь, порождает спрос на технологии мониторинга природно-техногенной сферы и обеспечения безопасности промышленных объектов.

Плотины гидротехнических сооружений являются объектами повышенной опасности и требуют непрерывного всеобъемлющего контроля за состоянием их целостности и прогнозирования динамики их прочности как в период строительства, так и в период эксплуатации, что отражено в Федеральном законе о безопасности гидротехнических сооружений и иных нормативных актах Российской Федерации.

Особую важность представляет проблема геодезического контроля плановых смещений тела плотины, которая в общем случае решается измерением смещений контрольных точек от положения вертикальных струнных отвесов, заложенных в конструкцию гидротехнического сооружения на этапе строительства.

Имея достоверную информацию о перемещении системы струнных отвесов, можно не только оценить текущие смещения тела плотины, но и осуществлять краткосрочный и долговременный прогноз поведения плотины в периоды наполнения и сброса воды.

В настоящее время в России автоматизированное измерение плановых смещений контрольных точек плотины по прямым и обратным струнным отвесам производится двухкоординатными преобразователями координат индуктивного типа.

Проведённый анализ выявил, что данные средства измерения на сегодняшний день в моральном и техническом плане полностью устарели, обладают рядом существенных недостатков: малое межградуировочное время, аналоговый интерфейс, низкая помехоустойчивость и др., вследствие чего требуют серьёзной модернизации или полной замены.

В то же время анализ научно-технической информации по проблеме измерений координат струнных отвесов гидротехнических сооружений позволяет сделать вывод, что существующие в мировой практике альтернативные методы и средства измерений (оптико-механические и оптоэлектронные) также обладают рядом значительных недостатков, среди которых общими являются низкий уровень автоматизации и высокая стоимость установки и эксплуатации изделий.

Например, цена ручного оптического координатографа производства «Фрайбергер прецизионс-механик-ГмбХ», Германия при точности измерений в 100 мкм составляет порядка 10000$. Неавтоматизированный оптический «Ecartometr» (Германия) при точности 100 мкм и диапазоне перемещений 25мм предлагается за 6500 Euro.

Таким образом, проблема автоматизированного геодезического контроля гидротехнических сооружений и получения качественной оперативной информации о состоянии плотины продолжает оставаться весьма актуальной, учитывая, что данная проблема напрямую связана с проблемой безопасности целых регионов.

Применение системного подхода позволяет сделать вывод, что наиболее оптимальный результат по критерию цена/качество на пути решения обозначенной проблемы состоит в разработке новой оптоэлектронной технологии измерений, с использованием датчиков координат нового типа, на основе современных достижений микроэлектроники, схемотехники, приборостроения, технологий создания и управления корпоративными базами данных, а также современных методов построения сетей передачи данных по цифровым каналам связи.

Тема работы соответствует следующим позициям перечня «Приоритетные направления развития науки и техники и критические технологии федерального уровня» /1/:

Экология и рациональное природопользование:

• Технологии мониторинга природно-техногенной сферы.

• Технологии обеспечения безопасности продукции, производства и объектов.

Информационные технологии и электроника:

• Опто- и акустоэлектроника.

Целью работы является разработка оптоэлектронной технологии измерений координат струнных отвесов гидротехнических сооружений, позволяющая получить оценку координат струнного отвеса на основе одновременной обработки сигналов с двух ортогональных систем объектив-фотоприёмник, и включает в себя в т.ч. следующие задачи исследования:

1. Исследование и научное обоснование оптоэлектронного метода измерений координат протяжённого объекта на основе одновременной обработки сигналов с двух ортогональных систем объектив-фотоприёмник.

2. Разработка методики расчёта оптической системы, позволяющей получить на поверхности фотоприёмного устройства изображение регистрируемого объекта требуемого качества и масштаба при заданных условиях измерений.

3. Разработка математической модели оптоэлектронной системы как инструмента для моделирования процесса измерений с целью оценки параметров оптоэлектронной системы при заданной точности измерений.

4. Экспериментальное исследование оптоэлектронного метода измерений по п.1, в т.ч. создание опытного образца измерителя и оценка достигаемой точности измерений.

5. Исследование методов определения координаты изображения объекта на поверхности фотоприёмника.

6. Исследование и оценка факторов, влияющих на точность измерений.

7. Исследование возможности переноса технологии оптоэлектронных измерений на другие задачи измерений в геодезии.

Методы исследования. В диссертационной работе, для решения поставленных задач использовались методы геометрической и дифракционной оптики, метрологии, математической статистики, теории вероятностей, математический анализ, экспериментальные методы, методы вычислительного моделирования.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

• Комплексно исследована проблема дистанционного контроля плановых смещений данной точки гидротехнического сооружения от положения вертикали струнного отвеса.

• Дано научное обоснование оптоэлектронного метода и алгоритма измерений координат протяжённого объекта на основе одновременной обработки сигналов с двух ортогональных систем объектив-фотоприёмник

• Разработана математическая модель оптоэлектронной системы для исследуемой задачи, позволяющая оценить параметры оптоэлектронной системы при заданной погрешности измерений

Практическая значимость и внедрение результатов исследований: На основе разработанной методики расчёта оптической системы реализован программный продукт, позволяющий производить оценку основных параметров оптической системы для заданных условий измерений, полученные результаты использованы при решении практических задач, связанных с экспериментальной проверкой предложенного метода измерения.

По результатам исследований в 2003г создан экспериментальный образец оптоэлектронного устройства для измерения координат струнных отвесов гидротехнических сооружений ФПКС-1, в апреле 2003г. прошедший испытания в лаборатории JITTC ОАО "Саяно-Шушенская ГЭС им. П.С. Непорожнего", при этом среднеквадратичная ошибка измерений координат не превысила ±25мкм по каждой координате. По результатам испытаний экспериментальный образец был передан в опытную эксплуатацию на метрологическую точку плотины Саяно-Шушенской ГЭС, которая проводились в период с 25.04.2003г. по 08.10.2003г.

С учётом полученных научных и практических результатов создан модернизированный вариант ФПКС-2, в 2004г прошедший испытания для целей утверждения типа средств измерений «Фотоэлектронные преобразователи координат струнных отвесов ФПКС-2» в Госстандарте РФ.

Два промышленных образца изделия ФПКС-2 в настоящее время установлены на метрологических точках плотины Саяно-Шушенской ГЭС.

Результаты диссертационной работы вошли в проведённые на базе НТЦР «Мезон», КГТУ, г. Красноярск, в 2001-2004гг. следующие НИОКР:

1) На основе проведённой в 2001г. НИР "Анализ состояния и разработка технических предложений по модернизации систем автоматизированного контроля гидротехнических сооружений Саяно-Шушенской ГЭС. I этап. Оптимизация технических решений. Договор № 1/01/185 от 12.03.01" было сделано общее теоретическое обоснование необходимости кардинальной смены технологии измерения координат струнных отвесов и предложен оптоэлектронный метод измерений координат на основе показаний двух ортогональных систем объектив-фотоприёмник.

2) В соответствии с планом НИОКР по ОАО «Саяно-Шушенская ГЭС им П.С. Непорожнего» на основании договора №2/02 от 20 мая 2002г. была проведена НИР "Разработка системы фотооптического преобразователя координат для контроля плановых смещений. II этап. Разработка и изготовление экспериментального датчика ПФК СО". В работе произведено основное теоретическое и экспериментальное обоснование предложенного метода измерений, предложены инженерные формулы для оценки параметров оптической системы.

3) В НИОКР "Разработка и ввод в эксплуатацию автоматизированного геодезического створа плотины Зейской ГЭС. Шифр «Створ 1». I этап. Выбор технических решений", проведённую на основании договора №3/02 от 25 февраля 2003г между НТЦР «Мезон» и ОАО «Зейская ГЭС» был сделан аналитический обзор возможных методов реализации геодезического створа на верхней кромке плотины Зейской ГЭС, приводятся расчетные оценки достижимой точности измерений. Отдельная глава посвящена исследованию возможности построения струнного створа с использованием разработанного оптоэлектронного метода контроля смещений струнных отвесов.

Результаты, полученные в диссертации, позволили повысить точность и достоверность определения координат струнных отвесов гидротехнических сооружений при полной автоматизации процесса измерений и существенном снижении стоимости эксплуатации соответствующего сегмента АСУ.

Достоверность научных и практических результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждается согласованием теоретических расчётов, математического моделирования и экспериментальных исследований, а также:

• актами о внедрении результатов диссертационной работы

• свидетельством №10-502 от 03.06.2004г о поверке средства измерений «Фотоэлектронные преобразователи координат струнных отвесов ФПКС-2», выдано ФГУП «Сибирский Государственный Ордена Трудового Красного Знамени Научно-Исследовательский Институт Метрологии», г.Новосибирск.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Аналитические выражения, составляющие уравнение связи координат струнного отвеса с параметрами сигналов с двух ортогональных оптоэлектронных систем, позволяющее исключить методическую погрешность измерения координат вследствие зависимости показаний оптоэлектронной системы от расстояния до объекта.

2. Промышленный оптоэлектронный прибор для измерения координат струнных отвесов с точностью не хуже ±100 мкм в диапазоне перемещений струны ±50 мм.

3. Результаты вариационного анализа влияния случайных отклонений параметров оптической системы на общую погрешность измерения.

Апробация работы и публикации: Результаты проводимых исследований докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции молодых учёных и студентов «Современные проблемы радиоэлектроники» в г. Красноярске (2002, 2003, 2004гг), а также на ряде научно-технических советов на ведущих предприятиях гидроэнергетики.

По материалам диссертации опубликовано 7 работ, в том числе одна статья в рецензируемом журнале «Гидротехническое строительство», подана авторская заявка на изобретение. Основные результаты теоретических и экспериментальных работ вошли в отчеты по 3-м НИОКР.

Структура и объём диссертации:

Диссертация содержит основной текст на 156 е., 40 иллюстраций, в т.ч. 4 фотографии, 6 таблиц, приложения на 5 е., список использованной литературы из 45 наименований, в т.ч. публикации автора.

Личный вклад автора: в защищаемых материалах автору принадлежит: исследование и разработка теории оптоэлектронного преобразования применительно к исследуемой задаче, разработка и исследование математической модели оптико-электронного преобразования на ЭВМ, исследование ошибок, разработка опытного образца прибора, его лабораторные и натурные испытания.

Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований вошли в ряд НИОКР, выполненных по заказу ОАО «Саяно-Шушенская ГЭС им. П.С. Непорожнего» и ОАО «Зейская ГЭС».

Экспериментальные исследования, проведённые с помощью разработанных приборов ФПКС-1 и ФПКС-2 доказали, что предложенный оптоэлектронный метод позволяет создать промышленный прибор с точностью измерения не хуже ±100 мкм в диапазоне перемещений струны ±50 мм.

Высокие метрологические характеристики изделия подтверждены сертификатом Госстандарта Российской Федерации, два промышленных образца изделия ФПКС-2 в настоящее время установлены на контрольных точках плотины Саяно-Шушенской ГЭС.

Дальнейшим развитием исследований является прежде всего исследование и разработка оптических систем, позволяющих увеличить как точность, так и диапазон измерений, а также разработка теории и изготовление аппаратуры фрагментов автоматизированных подсистем оптоэлектронных преобразователей координат струнных отвесов с использованием современных методов построения аппаратуры АСУ ТП.

Тем не менее, данная диссертационная работа представляет собой законченное исследование, в ходе которого получен и решён на практике ряд новых научно-технических результатов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основной целью настоящей диссертационной работы являлось комплексное решение задачи измерений координат струнных отвесов гидротехнических сооружений, позволяющей получить оценку текущих и плановых смещений контрольных точек плотины и не допустить превышения действующих в плотине напряжений относительно расчётного предельного состояния по прочности.

Актуальность темы диктуется тем, что от качественного решения проблемы геодезического контроля гидротехнических сооружений и получения достоверной оперативной информации о состоянии плотины зависит, по существу, безопасность целых регионов Российской Федерации.

Для решения поставленной задачи был предложен и впервые полностью научно обоснован оптоэлектронный метод измерений, позволяющий получить оценку координат струнного отвеса на основе одновременной обработки сигналов с двух ортогональных систем объектив-фотоприёмник, позволяющий исключить методическую погрешность измерения, связанную с влиянием смещения струны по одной координате на измерение второй.

Разработана методика расчёта оптической системы и математическая модель оптоэлектронной системы, позволяющие быстро оценивать параметры подобных приборов для целого класса задач измерений, например, для решения задачи геодезического струнного створа.

Вариационный анализ влияния случайных отклонений параметров оптической системы на общую погрешность измерения показал, что среди априори непостоянных параметров оптической системы наибольшую погрешность вносит случайное отклонение от расчётного значения фокусного расстояния объектива, оптическая ось которого перпендикулярна измеряемой координате.

1. Приоритетные направления развития науки и техники и критические технологии федерального уровня. Постановление правительства Российской Федерации №2727п-П8. // Российская газета, № 149 от 08.08.1996г.

2. Крук Д.Е., Шайдуров Г.Я. Модернизация измерения координат струнных отвесов гидротехнических сооружений // М.:Гидротехническое строительство. №1, 2003г. с.3-6.

3. Сулаберидзе В.Ш., Валиуллин Ф.Х., Котов Н.П., Чернобровкин Ю.В. Методы снижения температурной погрешности индуктивных и взаимоиндуктивных датчиков. // М: Датчики и системы, №9, 2001г.

4. Федеральный закон от 21 июля 1997 г. №117-ФЗ "О безопасности гидротехнических сооружений". // Российская газета, № 144, 29.07.97; СЗ РФ № 30,1997, ст. 3589.

5. СНиП 2.06.01-86. Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования.

6. Затеев В.Б. Определение реальных напряжений в бетонных плотинах методом локальной разгрузки. // М. Гидротехническое строительство, №5-2003г.

7. Крук Д. Е. О возможностях создания фотооптического измерителя координат струнных отвесов // Современные проблемы радиоэлектроники: Сборникнаучных трудов./ под общ. ред. Ю.В. Коловского: Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2002г. с.30-31.

8. Апенко М.И., Дубовик А.С. Прикладная оптика", 2-е изд. // М.: Наука. 1982г. 352с.

9. Сакин И.Л. Инженерная оптика. // JI.Машиностроение. 1976г. 288с.

10. Неизвестный С.И., Никулин О.Ю. Приборы с зарядовой связью. Устройство и основные принципы работы. // Электронный журнал "Специальная Техника", http://st.ess.ru/, 7с.

11. Иванкин И.Р., Пашков B.C., Фисенко Т.Ю., Эвентаве Ю.М. Моделирование шумов матриц ПЗС. // Техника средств связи, сер. Техника телевидения. №2, 1986г.

12. Липанов A.M., Шелковников Ю.К., Осипов Н.И. Применение дискретно-сплошной структуры мультискана в оптико-электронных измерительных устройствах. // М: Датчики и системы. №2, 2003г. с. 46-49.

13. Боков В.Л, Новикова Ю.В., Пашков B.C., Тидеман Н.А. Исследование точностных характеристик оптико-электронных приборов с многоэлементными фотоприёмниками. // Изв. Вузов СССР. Приборостроение. №11. 1989г. с.64-68.

14. Пашков B.C., Тидеман Н.А. Исследование алгоритмов оценки координат изображений точечных излучателей в оптико-электронных приборах с многоэлементными фотоприёмниками. // Изв. Вузов СССР. Приборостроение. №4. 1988г. с.63-67.,

15. Иванкин И.Р., Пашков B.C., Фисенко Т.Ю., Эвентаве Ю.М. Интерполяционные алгоритмы определения положения центра изображения объекта с помощью ПЗС. // Техника средств связи, сер. Техника телевидения. №4, 1986г.

16. Мандражи В.П., Рыфтин А .Я. Сравнительный анализ точности определения координат изображений точечных объектов при использовании различных алгоритмов измерений. // Техника средств связи, сер. Техника телевидения. №4, 1986г.

17. Анисимов М.Н., Шаров СЛ. Применение алгоритмов классификации для решения задач совместного распознавания и оценки координат точечных объектов. // Техника средств связи, сер. Техника телевидения. №2, 1989г. с.79-83.

18. Выносов В.В., Дахин A.M., Яковлев А.Н. Моделирование процесса формирования изображений матричными фотоприёмниками. // Техника средств связи, сер. Техника телевидения. №5, 1988г. с. 79-82.

19. Мирский Г.Я. Электронные измерения. 4-е изд., перераб. и доп. // М.: Радио и связь. 1986г. 440с.

20. Ландсберг Г.С. Оптика. 5-е изд. перераб. и доп. // М: Наука. 1976.926с.

21. Бегунов Б.Н., Заказнов Н.П., Кирюшин С.И., Кузичев В.И. Теория оптических систем. // М: Машиностроение. 1981. 348с.

22. Якушенков Ю.Г. Теория и расчёт оптико-электронных приборов. 2-е изд., перераб. и доп. // М: Советское радио, 1980. 390с.

23. Solomon P.M., Goss W.C. A microprocessor-controlled CCD star tracker. // ALAA. 1976. №76. p. 116.

24. Лебедев H.B. Измерение координат точечного объекта телевизионной камерой на ПЗС. // Техника средств связи, сер. Техника телевидения. №5. 1976г.

25. Кнут Д. Искусство программирования для ЭВМ, т.2: Получисленные алгоритмы. //М.: Мир. 1977г. с.130-131.

26. Приборы с зарядовой связью: Пер. с англ./под ред. П.Хоувза, Д.Моргана, //М.: Энергоатомиздат. 1981г. 376с.

27. Достижения в технике передачи и воспроизведение изображений: Пер. с англ./под ред. Б.Кейзана. Т.З, // М.: Мир. 1989г.

28. Крук Д.Е. К оценке точности измерений координат струнных отвесов в задачах геодезического контроля // Современные проблемы радиоэлектроники: Сб. научн. тр./ под ред. А.И. Громыко, А.В. Сарафанова: Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2004г. с.61-62.

29. Крук Д.Е. Влияние продольных смещений объекта на ошибку измерений оптоэлектронного измерителя координат // Электронный журнал «Исследовано в России», 2004г. http://www. infomas.ru

30. Слабко В.В. Отчёт по НИОКР «Разработка и ввод в эксплуатацию автоматизированного геодезического створа плотины., Зейской ГЭС». Часть2. Оптические методы. // Красноярск, КГТУ, НТЦР «Мезон», 2003г. 25с.

31. В.И.Брызгалов. Из опыта создания и освоения Красноярской и Саяно-Шушенской гидроэлектростанций. // Красноярск: Сиб. изд. дом «Суриков». 1999 г. 556 с.

32. Спиридонов Ю.В. Комплекс геодезических наблюдений за общими перемещениями плотины Саяно-Шушенской ГЭС // М: Гидротехническое строительство, №9. 1998г.

33. Стефаненко Н.И. Опыт применения струнных систем в качестве измерителей горизонтальных смещений при наблюдениях за деформациями гидротехнических сооружений Саяно-Шушенской ГЭС // М: Гидротехническое строительство, №9.1998г.

34. Стефаненко Н.И., Гутов С.С., Синельников О.Ю. Методы и средства контроля общих перемещений плотины Саяно-Шушенской ГЭС и опыт их совершенствования // М: Гидротехническое строительство, №11.2003г.

35. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗов : Справочник. // М.: Наука. Физматлит, 1998г. 608с.

36. Короткое В.П., Тайц Б.А. Основы метрологии и теории точности измерительных устройств. // М.: Издательство стандартов, 1984г

37. Бадеев А.В., Мурачкина Т.И. Оптоэлектронный датчик перемещения. М.: Датчики и системы. №5, 2003г. с.30-32.

38. Шелковников Ю.К., Осипов Н.И. Проектирование оптико-электронных устройств для измерения геометрических размеров на основе мультискана // В сб. «Моделирование технических объектов и систем». Ижевск: ИжГТУ. 1998. Т2. с.83-94

39. Крук Д.Е., Шайдуров Г.Я. Оптоэлектронный метод и прибор для контроля плановых смещений гидротехнических сооружений // Институт радиоэлектроники Красноярского государственного технического университета. -Красноярск. 2004. 9с. - Деп. в ВИНИТИ

40. Два промышленных образца переработанного варианта изделия ФПКС-2. прошедшего сертификационные испытания в Госстандарте РФ, в настоящее время установлены в контрольных точках прямых отвесов плотины Саяно-Шушенской ГЭС.1. Начальник ЛГТС1. Стефаненко И.И.

41. МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

42. КРАСНОЯРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ1. КГТУ

43. О внедрении результатов диссертационной работы на соискание учёной степени кандидат технических наук1. Крук Дмитрия Евгеньевича

44. Ведущий инженер НТЦР «Мезон»1. П.А. Лобанов1. ГОССТАНДАРТ РОССИИ

45. ФГУП С ИБИРГКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОРД К Я Л ТРУДОВОГО КРАСНО I О ЖАМКНИ Н А У Ч Н О И ССЛЕДО В А ТЕ Л ЬС КИ Й ИНСТИТУТ МЕТРО. И)! ПИ1. Бланк'редство измерений Ф1IKC-210.502 ' 'v ' 3 и«>?1« 2Ш51. Действительно до« » 200 г

46. J)QT0-.»eKipQHiiWg прёаасазшашш координат С1рушш&. -1писавтя и номер клейма предыдущей поверки (если такие серия и номер имеются)кодеком номер (номера)принадлежащеедат.

47. ФГУП СНИИМ аккредитован на техническую компетентность в области поверки СМ и зарегистрирован в Реестр* №073 Шифр поверительного к гей на -1