автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка и исследование оптико-цифровой измерительной системы для контроля труднодоступных полостей энергоагрегатов

ФИЛИНОВ

Михаил Владимирович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИКО-ЦИФРОВОЙ

ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ТРУДНОДОСТУПНЫХ ПОЛОСТЕЙ ЭНЕРГОАГРЕГАТОВ

Специальность: 05.11.13

Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 1999

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте интроскопии (НИИИН) Московского научно-производственного объединения "СПЕКТР" (МНПО "СПЕКТР").

Научный руководитель: дтн., профессор, чл.-корр. РАН В.В.Клюев

Официальные оппоненты: д.т.н., профессор Г.С. Шелихов, д.т.н., профессор A.C. Ющенко.

Ведущее предприятие: ФЦЦТ "Союз", г. Люберцы

Защита диссертации состоится 24 декабря 1999 г. В 10 часов на заседании Диссертационного Совета Д.109.01.01 в Научно-исследовательском институте интроскопии по адресу:

119 048, г.Москва, ул.Усачева, 35.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МНПО "СПЕКТР".

Автореферат диссертации разослан 19 ноября 1999 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В настоящее время определяющее значение приобретает контроль объектов, особенно повышенной опасности, а также топливно-энергетического и авиакосмического комплексов, по состоянию, а не по ресурсу. Это напрямую связано с задачами повышения безопасности эксплуатации такого рода объектов. Переход к эксплуатации по состоянию требует создания средств видеоскопического контроля объектов с обязательной функцией измерения размеров дефектов; размеры дефектов сравниваются с допустимыми значениями, полученными на основе прочностных расчетов.

Цель работы - снижение погрешности определения размеров дефектов при телевизионном эндоскопическом контроле.

Задачи исследований

1. Разработка аналитических моделей процессов передачи и воспроизведения изображения в оптико-телевизионных системах контроля с целью описания их пространственных передаточных характеристик;

2. Разработка и исследование методик метрологической аттестации систем оптико-телевизионного контроля;

3. Разработка методов оптимизации оптической передаточной функции с целью улучшения пространственных передаточных характеристик;

4. Разработка и реализация методов цифровой обработки изображения для существенного повышения разрешения системы и качества оцифрованного изображения;

5. Реализация программно-аппаратного комплекса с улучшенными метрологическими характеристиками, легко наращиваемого и реконфигурируемого, со сквозной калибрацией системы, возможностью измерении геометрических "и физических характеристик объекта контроля;

6. Накопление библиотеки эндоскопических изображений дефектов, разработка средств управления накопленной базой данных с иерархической структурой.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработана математическая модель объектов видеоэндоскопических измерений и формулы для определения погрешностей измерений дефектов с учетом масштаба изображения и перспективных искажений.

2. Проведена классификация методов линейных измерений дефектов в видеоэндоскопических ситемах и обоснован выбор метода светового сечения как наиболее эффективного и адекватного задачам дефектометрии узлов и деталей

авиакосмической, техники и энергоагрегатов.

3. Впервые теоретически и экспериментально исследованы метрологические характеристики цифровых видеоэндоскопических систем, проанализировано влияние ЧКХ ана погрешность измерения размеров трехмерных пространственных дефектов.

4. Определены перспективы развития цифровых видеоэндоскопических систем . Предложен и реализован новый адаптивный метод светового сечения для дефекгометрии объектов с помощью видеоэндоскопических систем, инвариантный к ориентации дефектов на поверхности объекта, защищенный изобретением.

5. Разработана методика измерения ЧКХ видеоэндоскопических систем и оценка эффективности цифйровой фильтрации на достоверность контроля и погрешность дефекгометрии объектов.

Практическая ценность, масштабы внедрения:

Системы различных поколений и модификаций, разработанные диссертантом в рамках настоящей диссертации внедрены на предприятии УралЛУК Трубмаш (г. Челябинск), в ФЦДТ "Союз"(г. Люберцы), НПО "Рыбинские Моторы" (г. Рыбинск). Готовится ввод в эксплуатацию еще одной установки БХ 2.1 на УралЛУК Трубмаш, а также на НПО "Салют" (г. Москва).

Структура диссертации

Диссертация состоит из четырех глав и списка литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приводится анализ специфики объектов контроля - энергетических установок большой единичной мощности и задач дефекгометрии на данном классе объектов; приводится классификация типовых дефектов авиакосмической техники, контролируемых средствами эндоскопии и видеоэндоскопии. Приведен обзор созданных ранее и применяемых в настоящее время видеодефектометрических систем; показаны тенденции их развития. Показаны перспективы развития и применения цифровых средств работы с изображением и визуальной дефектоскопии и дефекгометрии.

В настоящее время большое распространение получили так называемые Энергетические установки большой единичной мощности (УБЕМ). К классу УБЕМ относятся ядерные реакторы, жидкостные авиационные и ракетные реактивные двигатели (ЖРД) и др. Особенности ЖРД как объекта контроля связаны, с одной стороны, с экстремальными условиями работы материалов и узлов, а с другой стороны, с затрудненностью доступа к точкам контроля. В силу первого, ЖРД как УБЕМ должны подвергаться периодическому контролю по состоянию, а в вилу второго - на первый план выдвигаются визуальный эндоскопический контроль и современное его направление -видеоэндоскопический и компьютерный видеоскопический контроль. Появление этого последнего вида контроля связано с необходимостью обработки изображения, в том числе в реальном масштабе времени.

Осмотры с помощью эндоскопа позволяют обнаруживать начальные стадии развития разрушения деталей двигателя и планировать ремонтные работы прежде, чем разрушение разовьется до стадии, когда возникает необходимость отключения двигателя в полете и проведения внепланового ремонта. Анализ, критерием которого является не частота возникновения отказов, а затраты на ремонт и списание, четко показывают необходимость контроля двигателей по состоянию.

Переход к эксплуатации по состоянию требует создания средств видеоскопического контроля объектов с обязательной функцией измерения размеров дефектов; размеры дефектов сравниваются с допустимыми значениями, полученными на основе прочностных расчетов. На рис. приведена классификация методов измерения размеров дефектов в эндоскопии.

' Рис.1. Классификация методов видеоскопических измерений.

Проанализированы разработанные ранее, а также разрабатываемые и используемые в настоящее время средств измерений в эндоскопии. Из анализа следует, что проекционные средства измерений, использующие метод фокусировки, а также фотоэлектрические относятся к классу средств средней точночти. Стереоскопические срседства относятся к классу точных средств измерений, а топографические - к классу особо точных средст измерений.

Достоинством средств измерений с фокусировкой объектива эндоскопа является удобство эксплуатации. К недостаткам следует отнести непосредственную связь измерительной системы устройства с перемещением объектива эндоскопа при том, что большинство эндоскопов эндоскопов выполняется с нефокусируемым объективом.

Достоинством устройств, использующих фотоэлектрический, стереоскопический,

проекционный и топографический методы, является возможность применения эндоскопов как с линзовой, так и с волоконной оптикой. Общим недостатком данных классов устройств является необходимость размещения в дистальном конце эндоскопа либо фотоприемника, либо проекционной системы, либо топографической головки, что приводит к усложнению эндоскопа и к увеличению диаметра головки и рабочей части.

Недостаток устройств проекционного метода заключается в том, что применение данного метода требует либо размещения в дистальном конце дополнительного источника света, либо прокладки дополнительного световода для передачи света от общего источника света.

Относительные погрешности измерения перечисленных методов приведены в Табл.1:

Таблица 1.

Наименование метода Группа точности Погрешность

Голографйческий Особо точный 1-2%

Светового сечения Особо точный 0,5-2%

Стереоскопический Точный 4-5%

Проекционный Средней точности 10-12%

Фокусировки (на 1 -20 мм) Средней точности 15-20%

Фокусировки (на 20-50 мм) Средней точности 25-30%

Фотоэлектрический (на 1-5 мм) Средней точности 25%

Фотоэлектрический (на 5-50 мм) Средней точности 20%

Приводится анализ типичных систем эндоскопического контроля с цифровой обработкой сигнала фирм OLYMPUS, EFER, Welch Allyn. Также приведен обзор и анализ специальных средств оптической эндометрии фирм Colmorgen, Combustion Engineering (обе фирмы - США), ГОИ (г. Санкт-Петербург), а также ранних разработок МНПО "СПЕКТР".

В отношении рассматриваемых инструментов и систем можно отметить следующее:

1. Каждая из этих систем может быть применена для контроля сложных объектов, но только в качественном смысле, так как ни одна из вышеприведенных систем не имеет метрологического обеспечения. Все вышеперечисленные системы имеют функцию измерения объекта на экране, но точность измерений метрологически не обеспечивается, а именно это является важнейшим фактором объективной оценки состояния объекта и прогноза его ресурса.

2. Ни в литературе по вопросу оптико-визуального контроля объектов техники, ни в описаниях рассмотренных систем не имеются методики исследования пространственной переходной характеристики, которая напрямую связана с точностью измерений; не описываются средства и методики определения пространственного разрешения данной аппаратуры.

3. Не сообщается о попытках аналоговой оптической обработки изображения до его перевода в дискретную форму, а вся обработка ведется лишь программно реализованными цифровыми фильтрами, что в ряде случаев повышает вероятность такого искажения информации (возникновения артефактов, шума и др.), которое может повлиять на правильность экспертной оценки состояния объектов контроля.

4. Все системы являются замкнутыми в смысле информационного обмена (исключением являются последние модификации видеопроцессора IW-1 фирмы OLYMPUS, когда два или более видеопроцессоров могут быть связаны между собой или с ПЭВМ через модем). Существующие системы не позволяют создавать базу данных дефектоскопических изображений, и тем более, базу знании в этой области, что необходимо например для анализа причин отказов и катастроф ЖРД и ГТД.

5. Ни одна из систем не реконфигурируема ни в аппаратной, ни в программной части за исключением возможности смены подключаемого эндоскопа и источника освещения.

Из анализа состояния теоретических и практических разработок в области измерительных эндоскопических и видеоскопических средств вытекают следующие задачи диссертации:

разработка аналитических моделей процессов передачи и воспроизведения изображения в оптико-телевизионных системах контроля с целью описания их пространственных передаточных характеристик;

• разработка и исследование методик метрологической аттестации систем оптико-телевизионного контроля;

• разработка методов оптимизации оптической передаточной функции с целью улучшения пространственных передаточных характеристик;

• разработка и реализация методов аналоговой оптической предобработки изображения для существенного повышения разрешения системы и качества оцифрованного изображения;

• реализация программно-аппаратного комплекса с улучшенными метрологическими характеристиками, легко наращиваемого и реконфигурируемого, со сквозной калибрацией системы, возможностью измерений геометрических и физических характеристик объекта контроля;

Во второй главе проведены теоретические исследования по созданию математической модели оптико-телевизионного тракта оптико-телевизионного тракта цифрового измерительного видеоэндоскопа, реализующего метод светового сечения для измерения трехмерных дефектов. Анализируется влияние цифровой обработки изображения на чувствительность контроля и точность дефектометрии.

Основное внимание уделено анализу погрешностей измерения с учетом специфики применения измерительных ппдеоэпдоскопов/видеоскопов для диагностики

труднодоступных узлов и агрегатов авиакосмической техники.

Показано, что источники погрешностей можно классифицировать на три основные группы:

♦ масштабные н перспективные искажения размеров и формы дефектов; размытие границ и контуров изображения дефекта, обусловленное фильтрацией пространственно-частотных спектров объективом видеоэндоскопа и дискретной структурой матричного ПЗС-преобразователя;

• погрешности апостериорной обработки изображений, вызванные апертурными ограничениями реальных цифровых фильтров с конечным числом анализирующих элементов.

Первая группа факторов анализировалась в рамках геометро-оптического подхода на основе теории линейных перспективных преобразований изображений дефектов в оптической ситеме видеоэндоскопии.

На рис. представлена расчетная схема принятой модели анализа.

в г

Рис.2. Математические модели плоского объекта и объемного объекта в виде эллипсоида вращениями М- краевые точки объекта в измеряемом сечении, пояснения см. в тексте.

Показано, что измеряемый размер Ь объекта в плоскости, нормальной визироной оси эндоскопа, пропорциональна размеру изображения объекта Ь' и расстоянию т. от переднего фокуса объектива эндоскопа до объекта и обратно пропорционален фокусному расстоянию/эндоскопа и линейному увеличению V оптической системы, расположенной

между объективом эндоскопа и плоскостью измерения, совпадающей с приемной площадкой ПЗС-матрицы.

Установлено, что погрешность Л/, измерения размера объекта Ь определяется погрешностью АЬ' измерения размера его изображения Ь' , погрешностью Аг измерения расстояния до объекта г и погрешности Д а измерения угла дгмежду плоскостью объекта и оптической осью эндоскопа.

Систематические погрешности оптической системы эндоскопа из-за дисторсионных искажений и отклдонения оптических параметров объектива от нормативных требуют учтения их при градуировке конкретных приборов.

Соответствующая формула для суммарной погрешности, полученной с учетом метода наименьших квадратов при замене частных производных погрешностей по каждому из параметров влияния на относительные погрешности иммет вид:

Д L К &L')2 (Аа)2 ( Az)2

l'Ht) Нт) <"

Исследования показали, что при характерных значениях параметров эндоскопов,

Аа Az A L' т.е. -< 5%, — < 8%, —— < 1 % суммарная погрешность измерения может

a z L

достигать 10%. Для повышения точности измерений требуется использование компьютерной обработки результатов эксперимента, т.е. введение текущих значений растояния z до объекта и угла наклона сс к плоскости объекта. Погрешность измерния

Д V

изображения ■ = const, т.е. ее можно считать постоянной из-за постоянства размерных

L.I

параметров параметров элементов матрицы ПЗС.

Показано, что оснащение видеоэндоскопа/видеоскопа датчиками расстояния (дальномером) и угла наклона к плоскости объекта и расчеты размера с учетом текущих значений параметров z и а снижает погрешность до 2-3%, что подтверждено экспериментом.

Влияние фильтрующих свойств оптического канала и дискоерной структуры матрицы ПЗС на передачу пространственно-частотных спектров объекта исследовалась методом теории линейных ситем передачи и воспроизведения изображений с помощью оптической передаточной функции (ОПФ).

Показано, что для объектов с финитным спектром, т.е. дефектов с такими размерами, что их изображение превышает размер пиксела ПЗС-матрицы, это влияние проявляется как размытие контуров, снижение резкости изображений дефектов. В свою очередь, это приводит к увеличению погрешности измерения размеров дефекта из-за неопределенности места позиционирования курсора на дисплее ПЭВМ при используемом методе интерактивного измерения с визуальным контролем величины и координат дефекта.

Установлено, что ширину зоны размытия контуров дефекта, т.е. погрешность измерения размеров его изображения, можно с достаточной для практики точностью характеризовать величиной Д = 1/ итах , где »>тах - предельная частота, пропускаемая объективом при заданном уровне порогового контраста Кп, воспринимаемой системой

"видеоскоп-оператор".

На рис. приведена характерная зависимость коэффициента передачи контраста изображения при различных пространственных частотах для типичного объектива современной ТВ-камеры и матрицы ПЗС с размерами пикселов 0,01 х0,01 мм.

Граничная частота определеш как абсцисса точки пересечения графика ЧКХ Г(и) н линии порогового контраста Кп. В первом приближении она может оказаться не зависящей от частоты, однако, как показали исследования, целесообразно учитывать реальную зависимость Кп( определяемую с помощью разработанных нами методик в зависимости от конкретных дефектометрических условий (тип дисплея, освещенность экрана, характер дефекта и фона и др.).

Установлено, что в силу жесткой геометрической структуры ПЗС-матриц их граничная частота может определяться с учетом теоремы Котельникова через размер а пиксела матрицы, выраженного в мм как УтиТИ 5 1/а

Рис.3. Типовые зависимости коэффициента передачи контраста Т{ v) от пространственной частоты V для объектива ТВ-камеры (кривая 1) и ПЗС-матрицы (кривая 2) в белом свете (источник "A"). v°mt3UlbJ и У°ю1хТУ ,Vаахй и - граничные частоты пропускания объектива и ПЗС-матрицы, определенные для Kn = const vm tx.opt и У Ни* tv с учетом зависимости Кп =Д ^ от пространственной частоты.

Для объективов ТВ-камер в силу большого разнообразия их типов и режимов работы (апертура, спектр источника света, угол поля зрения, масштаб изображения и др.) необходимо экспериментальное измерение ЧКХ Т\ V) (и соответственно, vmax0).

При этом, как показал анализ, измерение ЧКХ объективов необходимо производить с помощью фотоприемнока, спектральная чувствительность которого совпадает с

соответствующей характеристикой конткретиой ПЗС-матрицы. Нами предложен и реализован метод измерения ЧКХ с использованием непосредственно ПЗС-матриц, что существенно упростило расчеты ЧКХ и ускорило процесс измерения.

Формула для измерения полихроматической ЧКХ Т{у)% объектива имеет при этом

вид:

71 у)т = Т{у)х -8(Л)-М)-т(Л)-М (2),

где Л1 и Л2 - пределы длин волн при интегрировании. В (2) Я(Л), т(Л), т(Л) -спектральные характеристики ПЗС, используемого источника света и пропускания объектива соответственно.

Реальные значения погрешности (ширина зоны размытия) составили в среднем 0,03-5-0,05 мм в плоскости ПЗС-матрицы, что соответствует относительной погрешности

Исследование и сравнительный анализ методов линейных измерений размеров объектов при эндоскопии были проведены по метрологическим характеристикам.

В общем случае размер объекта в плоскости, перпендикулярной визирной линии эндоскопа без учета погрешности, вызываемой дисторсией, определяется по формуле:

Ь'г

где Ь, Ь' - размер объекта и его изображения, мм;/. _ фокусное расстояние объектива эндоскопа, мм; Уп - линейное увеличение системы, расположенной между объективом эндоскопа и измерительной сеткой; Ъ - расстояние от переднего фокуса объектива эндоскопа до объекта (вдоль визирной линии), мм.

Из формулы (7) следует, что погрешность Д^ измерения размера Ь объекта определяется погрешностью измерения размера Ь' изображения объекта, погрешностью Л2 измерения расстояния Z до объекта. Кроме того, будет иметь место погрешность ДДТ от наклона объекта к перпендикуляру, восстановленному к визирной линии эндоскопа и его формы. Эта погрешность достигает существенных значений ввиду того, что расстояние Zдo объекта незначительно (10+100 мм) и сравнение с размерами измеряемых объектов.

Таким образом, погрешности Д^д/ методов измерения зависят от погрешностей средств измерений, включающих погрешности Д^. и Д^ и от погрешности Лаг, связанной с измеряемым объектом. Принимая указанное во внимание, исследование погрешностей Д^д/ методов измерений сделаем в следующей последовательности. В начале рассмотрим погрешности Д^ конкретных средств измерений, а далее -погрешности Д^д/ методов измерений.

Рассмотрим вначале погрешность измерений размеров изображений объектов Д^..

Эта погрешность определяется погрешностями, связанными с отсчитыванием, с

разрешающей способностью и остаточными аберрациями оптической системы эндоскопа.

Точность измерений размеров изображений зависит от погрешности нанесения отметок шкалы сетки Д^, деления шкалы / и от погрешности отсчитывания по шкале сетки Дí Учитывая, что видимое увеличение окуляра эндоскопов примерно равно 10, деление шкалы сетки / можно выбрать равным 0,1 мм. В этом случае оператор будет видеть "миллиметровую" шкалу и сможет легко по ней измерить размер изображения объекта.

Известно, что погрешность отсчитывания по индексу составляет 0,1 от деления шкалы.

Для относительной погрешности Д^. измерений размеров изображений объекта в общем случае напишем

V

где Ь' - размер изображения объекта £, мм; I - деление шкалы сетки, мм. Формулу (2.9) запишем в виде

25 р

где Уп - линейное увеличение системы, расположенной между объективом эндоскопа и сеткой;/' - фокусное расстояние объектива эндоскопа, мм.

2г

' = Т(6)>

где 2 - расстояние от переднего фокуса объектива эндоскопа до объекта (вдоль визирной линии), мм; Ь - размер объекта в измеряемом сечении, мм.

Погрешность будет зависеть от таких остаточных аберраций оптической системы эндоскопов, как кривизна изображения и дисторсия. После окуляра эндоскопов имеет место ход лучей, приближенный к телецентрическому, поэтому влияние кривизны изображения на измерение размеров последнего можно не учитывать. Дисторсияов эндоскопах отрицательнаи для поля зрения 60 составляет10-15%,адляполязрения90 -27%, что составляет существенную величину. Погрешность, вызываемая дисторсией относится к систематическим погрешностям. Ее можно исключить либо введением поправки, либо при градуировке средств измерений.

При эндоскопическом исследовании обычно так устанавливают эндоскоп относительно объекта, чтобы последний находился примерно в центре поля зрения. Очевидно, что при измерении размеров объектов будут иметь место погрешности от наклона объектов к перпендикуляру, восстановленному к визирной линии эндоскопа.

Рассмотрим сначала плоский объект. Из рис.2а видно, что при наклоне объекта на угол а мы фактически будет определять не размер объекта /, + 12 а их проекцию на ось У. Относительные погрешности измерения размеров верхней и нижней частей объекта

легко определяются по формулам:

z( 1- cosa) + /, sina

Д«, =-w • -(7)

' z+/,sma

z( 1 - cosa) - /2 sina

V-

д =-—-(8)

2 z-7, sina

Поскольку при эндоскопии расстояние 2, как правило, выбирается в зависимости от размера объекта, то удобнее ввести новые переменные, связывающие эти два параметра г г

<?д h ж h

Возьмем частные производные ' и .которые будут вычисляться по формулам:

ду i Y i

^А, sin a • cosa

(8)

дГх (г, + sina)

cosa-sina (у2 - sina)2

(10)

Из формулы (9) и (10) следует, что функция Д/, убывает с возрастанием у,, а функция

Д/2 возрастает с увеличением у г. Учитывая, что при определенных значениях и у2

погрешности Д, и Л ^ могут бить как положительными, так и отрицательными,

возможны случаи некоторой их взаимокомпенсации.

Анализ результатов расчетов при значениях у, и у 2, отличающихся друг от друга

не более, чем в 2 раза, показывает, что погрешность от наклона Дв = Д, + Д^ при а=

± 20° принимает значения от 0 до 18%, а при а = ± 40° - от 0 до 70%. Минимальное значение^, и уг определяется наибольшим полем зрения эндоскопа, которое достигает 90 . Максимальное значение выбрано равным 20, принимая во внимание, что при измерении размеров 1 мм, расстояние до объектов будет составлять около 10 мм.

При рассмотрении объемных объектов в форме эллипсоида и полуэллипсоида вращения обозначим размеры большой и малой полуосей в плоскости соответственно Ь и с и в плоскости X0Z - размер полуоси а (рис.26) Будем считать, что визирная линия проходит через центр этих объектов. Это условие можно выполнить, пользуясь точками

наибольшего отстояния в двух взаимоперпендикулярных плоскостях. Пусть измерение величины эллипсоида или полуэллипсоида ведется в плоскости УСЙ (рис.2 в, г).

Проведем исследование относительных погрешностей в зависимости от наклона для трех случаев, которые могут иметь место при измерении размеров объемных объектов: с учетом параметра г, когда измеряются 3 параметра: ¿и г и размер изображения объекта; без учета параметра г, когда измеряются только 2 параметра: 2 и размер изображения

НЯ

■ объекта; с учетом вместо параметра г параметра ——, когда также как и во втором случае

измеряются только 2 параметра: 1 и размер изображения, но вместо параметра г вводится параметр, равный половине отрезка НЕ. (рис.2 в, г),- отсекаемого краевыми лучами от перпендикуляра, проведенного в точке пересечения объекта с визирной линией (точка А).

Пользуясь математическим аппаратом аналитической геометрии можно установить взаимосвязь между размерами эллипсоида или полуэллипсоида в измеряемом сечении, углами <рх и<р2 расстоянием до объекта 2, углом а и величиной г и написать следующие выражения для относительных погрешностей измерения размера эллипсоида или полуэллипсоида по размеру 2с:

+«ЫК24'^) -

дв2 - -^-02)

4

Д а, =-^-(13)

В формулах (11X13) индексами 1, 2, 3 обозначены указанные ранее случаи,

2г 2 г а Ь имеющие место при измерении, а также у = — = — ; к = — ;л=~= — .

Ь с с с с

Проведенные расчеты, показали, что для эллипсоида и полуэллипсоида указанная погрешность примерно в 10 раз больше погрешности измерения по размеру 2с.

Поэтому измерения размера объекта в виде эллипсоида или полуэллипсоида и контроль за изменением размера таких объектов в динамике целесообразно проводить по размеру 2с.

Анализируя данные погрешностей измерения, связанные с наклоном для плоского и объемного объектов можно заключить:

1. Измерение объемных объектов без учета параметра г (2-й случай) нецелесообразно, т.к. в этом случае погрешность измерения может принимать значения до +400%.

о

2. Наибольшая погрешность, связанная с наклоном, при а = ±20 для плоского и

объемного объектов с учетом для объемных объектов параметраг (1-й случай) составляет +5,3 ± 12,7% при 2 2 уй 20, а с учетом вместо параметра г параметра КЯ/2 (3-й случай) составляет +5,2 ± 12,9% (при 20).

о

3. Наибольшая погрешность, связанная с наклоном при а ш ± 40 для плоского и объемного объектов параметра г (1 -й случай) составляет +23,6 ± 46,4%, а с учетом вместо параметра г параметра НЫ2 (3-й случай) составляет +24,6 ± 45,4% (при 2 20), поэтому необходимо принимать меры по уменьшению угла нахлона а до 20 (в противном случае измерение вообще теряет смысл),

4. Вместо параметра г при измерении объемных объектов может бьпъ применен параметр НИЛ. Это вызывает погрешность, не превышающую 0,2%.

Для определения размеров объемных дефектов (включая глубину в любой точке) был выбран метод светового сечения.

Прибор светового сечения представляет собой в общем случае систему из двух оптических систем: оптической системы, проектирующей изображение светящейся щели на шероховатую поверхность (077) и оптической системы наблюдения (ОН). В настоящее время приборы светового сечения широко используются в промышленности для измерения параметров шероховатости &тах и 5 на поверхностях, обработанных плоским шлифованием, плоским фрезерованием и другими видами обработки, при которых значение параметра Я1 лежит в пределах от 5 до 50 мхм.

Рис.4. Формирование профиля шероховатой поверхности отражением промежуточного изображения щели: а - схема формирования; б - сечение поверхности плоскостью, проходящей через оптические оси систем; в - поле зрения прибора.

Сущность метода светового сечения заключается в следующем. На поверхность с открывающейся несплошностью или шероховатую поверхность под углом а к нормали проектируется изображение узкой освещенной щели. Это промежуточное изображение щели принимает форму профиля поверхности и наблюдается оптической системой, оптическая ось которой составляет угол рс нормалью к поверхности. В зависимости от вида поверхности формирование профиля поверхности различно. Для хорошо

отражающих поверхностей профиль формируется в результате от ражения промежуточного изображения щели от шероховатой поверхности по законам геометрической оптики. Для рассеивающих поверхностей (шлифованное стекло, дерево, композиты, некоторые виды керамики и пластмасс) профиль формируется на самой поверхности при проектировании на нее изображения щели. Сущность метода и формирование профиля в предметном пространстве оптической системы наблюдения показаны на рис. 4 для хорошо отражающих поверхностей и на рис.5 для рассеивающих поверхностей.

Рис.5. Формирование профиля шероховатой поверхности проекцией промежуточного изображения щели на поверхность: а - схема взаимного положения плоскостей и поверхности; б - сечение поверхности плоскостью, проходящей через оптические оси систем; в - поле зрения прибора.

Промежуточное изображение d узкой щели проектируется под углом а относительно нормали к поверхности.

Далее изображение щели на объекте воспринимается ТВ-камерой.

Формирование сигнала изображения (СИ) в телевизионных, в т.ч. цифровых, средствах, осуществляется передающей телевизионной камерой (TBK) или преобразователем изображения (ПИ).

Изображение на входе ФЭП представляет собой распределение освещенности Е в системе координат х, у, которое является функцией длины волны и времени С Е{х, у, Л, f). На выходе ФЭП формируется СИ U(t). Преобразование Е{х,у, Ä,j)~U{t) (черно-белые системы) осуществляется с помощью развертки. Светочувствительная поверхность ФЭП может быть дискретной или непрерывной.

Обобщенная структурная схема ПИ на матричном ПЗС приведена на рис. . Оптическая система формирует изображение в плоскости ПЗС. Требования по разрешающей способности и другим характеристикам системы определяются назначением ПИ и реализуются выбором типа ПЗС. В состав оптического узла могут входить светофильтры, светорасщепители, фоконы, планшайбы и др.

Рис.6. Структурная схема ПИ на матричном ПЗС: 1 - оптическая система; 2 - матричный ПЗС; 3 - устройства усиления и обработки СИ; 4 - устройство автоматики и питания; 5, . 9 - преобразователи уровней; 6 -формирователь импульсов управления считыванием; 7 - синхро-генератор; 8-формировательимпульсов управления накоплением и хранением.

В измерительных ТК как на матричных, так и на линейных ПЗС могут присутствовать аналого-цифровые преобразователи (АЦП), устройства связи с ЭВМ, устройства контроля параметров, средства термостабилизации кристалла ПЗС и т. д. К достоинствам ПЗС-структур следует отнести:

• возможность непосредственного преобразования светового потока в зарядовые пакеты и способность хранить зарядовую информацию;

способность направленной передачи зарядовой информации и преобразования ее в СИ при весьма точном построении геометрии точечного растра (координаты элементов фиксируются с точностью до 0,5 мкм);

• высокое быстродействие;

• возможность реализации обработки информации непосредственно на матрице;

• высокую степень интеграции, малые потребляемую мощность и габариты.

К основным свойствам ПИ можно отнести характеристики преобразования свет-сигнал, спектральные характеристики, чувствительность, разрешающую способность, цветопередачу, инерционность и другие.

Существенными являются эксплуатационные параметры: автоматическая регулировка чувствительности, цветовая адаптация, ремонтопригодность, масса, размеры.

Характеристика свет-сигнал (преобразования) представлявляет .зависимость выходного СИ от освещенности соответствующего участка изображения. Обычно эту

характеристику аппроксимируют степенной функцией 1С = а + $ЕТ , где СС- значение темнового тока; - (3коэффициент, определяющий чувствительность преобразователя; у-коэффициент, характеризующий степень нелинейности характеристики.

Спектральная характеристика преобразователя - это зависимость его выходного сигнала от длины волны монохроматического излучения, падающего на светочувствительную поверхность при одинаковой мощности.излучения на каждой длине волны. В черно-белом варианте спектральные характеристики определяют верность передачи градации яркости объектов, в цветном варианте - верность цветопередачи.

Под разрешающей способностью преобразователя свет-сигнал понимают его способность передавать мелкие детали изображения с заданным контрастом. Под мелкими деталями изображения подразумеваются детали, размеры которые сравнимы с апертурой. Под апертурой преобразователя понимается поперечное сечение распределения энергии (прозрачности, плотности электронного или светопого потока, плотности снимаемых зарядов и др.) в его сканирующем элементе в плоскости светочувствительной

поверхности.

Влияние распределения энергии в элементе изображения на способность преобразователя передавать мелкие детали изображения принято оценивать апертурно-частотиой характеристикой (АЧХ).

Под АЧХ понимается зависимость между глубиной модуляции сигнала М и относительными размерами мелких деталей изображения, которые обычно оцениваются числом твл тМГлубина модуляции сигнала определяется отношением размаха сигнала от деталей изображения заданного размера ит к значению сигнала и от крупной детали (при передаче которой апертуркыми искажениями можно пренебречь).

Характеристика преобразования вместе с шумовыми параметрами преобразователя определяет число передаваемых градаций яркости (освещенности) изображения. Существенным вопросом при обработке СИ любого ФЭП, в частности на ПЗС, является определение начала отсчета сигнала. Практически все ФЭП формируют темновой сигнал, т. е. сигнал, соответствующий участкам изображения, для которых Е = 0. Этот уровень должен бьпъ принят за начало отсчета полезного сигнала.

Чувствительность преобразователя определяется как величина, обратная освещенности, необходимой для формирования на выходе камеры сигнала с заданными параметрами. Чаще всего в качестве такого параметра используют заданное отношение сигнал-шум. При отношении сигнал-шум около 50... 60 дБ и относительном отверстии объектива 1:1,4 номинальная чувствительность преобразователей составляет 100+200 1/лк.

По происхождению шумы делятся на несколько групп. Дробовые шумы являются следствием хаотичности эмиссионных процессов, происходящих в термо-, фотоэлектронных системах. Спектральная плотность таких шумов не зависит от частоты, а эффективное значение их пропорционально корню квадратному из частоты. Зависимость

среднего значения квадрата тока флуктуации »вызванных дробовым эффектом, оттока

сигнала ¡с, как известно, устанавливается формулой Шотки: = 2/сеДf, где е - заряд электрона; Д/—полоса частот регистрируемого процесса.

Тепловой шум, возникающий на резисторе нагрузки преобразователя, в ряде случаев вносит заметный вклад в величину флукгуаций напряжения. Зависимость среднеквадратнческого значения этой величины от температуры Т и сопротивления

нагрузки К устанавливается формулой Найквиста: I/* = АкТК • А/ , где 1,38x10"^

Дж/град - постоянная Больцмана.

ПЗС осуществляет двумерную пространственную н одномерную временную выборку отсчетов, характеризуемую операциями пространственно-временной фильтрации и дискретизации. Пространственная фильтрация изображения в соответствии с общепринятыми методиками, оценивается в двух взаимоортогональных направлениях: продольном (вдоль строк) и поперечном. Характеристики продольного и поперечного разложения измеряются по тестовым изображениям, содержащим зоны Френеля или полоски, располагаемые под небольшими углами по отношению к осям телевизионного растра. Это обусловливает возможность относительного смещения изображения и растра и пространственную инвариантность изменяемых характеристик.

Апертурные свойства ПЗС определяются главным образом геометрическими

размерами светочувствительных элементов, диффузионными процессами двумерного растекания неосновных носителей зарядов, эффективностью переноса неосновных носителей зарядов в процессе развертки изображения.

Апертурные свойства характеризуют одномерными АЧХ в направлениях продольного и поперечного разложения, устанавливающими зависимость глубины модуляции компонентов изображения с периодами изменения яркости Лх и Лу от их

относительных пространственных частот %х - 8Х/ЛХ и Е,у - 8у/Лу по осям хну соответственно; двумерной АЧХ:

К = М, =

^ | ] Д(*')Д(У)ехр

_ ^ 2л\ — + —

¿X ^у)

сЬс'ф

(14)

Используются понятия частотно-контрастных характеристик (ЧКХ), определяющих относительную контрастность компонентов,

к а ьт - ¿тЬ ^ 1 (15)

¿>тах

и абсолютный контраст изображения: К= —^ > 1 (16),

тт

где ^шах11 ^тт' значения максимальной и минимальной яркости компонентов изображения одной и той же пространственной частоты соответственно.

Изображение подвергается не только апертурной, но и растровой пространственной фильтрации. При одномерной (строчной) дискретизации изображения растровая фильтрация отражается на характеристиках поперечного разложения. При двумерной (точечной) дискретизации изображения в ПЗС растровая фильтрация влияет не только на поперечные, но и на продольные характеристики.

Для восстановления исходного изображения по совокупности передаваемых отсчетов, следующих с интервалами дискретизации 8Х в продольном и 8у в поперечном

направлениях, в соответствии с теоремой отсчетов необходимо выполнить два условия. Спектр передаваемых пространственных частот вдоль осей дискретизации следует

11 11

ограничить частотами Р = -—- < ——, Р = — £ ——-. На приемной стороне

Лх 2 ох Лу 2 оу

необходим идеальный двумерный фильтр нижних пространственных частот с граничными частотами к Ри импульсной характеристикой

= , 2 ' , ' (17) ' 4л РхРух у

Точность измерения яркости изображения, построенного оптическими устройствами в плоскости входного окна прибора, определяется рядом процессов, связанных с преобразованием световой энергии в зарядовые пакеты, их накоплением и передачей в транспортные и выходные регистры, с последующим преобразованием в выходной СИ. Точность преобразования описывается рядом характеристик, к которым относятся:

Рис. 8. Характеристика преобразования свет-сигнал

Характеристика преобразования свет-сигнал, показывающая зависимость величины сигнала на выходе прибора от освещенности описываемого элемента его /

фотосекции. Начальное значение выходного сигнала (С/г ), соответствующее отсутствию освещенности, определяется темновыми токами. Работа прибора возможна только в пределах линейного участка до , так как избыточный заряд, растекаясь по соседним элементам матрицы, вызывает грубые искажения изображения.

Характеристика преобразования ПЗС отличается высокой линейностью рабочего участка: нелинейность его не превышает 0,5%. Характерной особенностью ПЗС является возможность оперативного управления временем накопления зарядов независимо от скорости их выводам. К особенностям ПЗС относится точная передача среднего значения (постоянной составляющей) яркости исследуемого объекта.

Временное разрешение линейных и матричных ПЗС определяют временным интервалом, в течение которого происходит усреднение входного светового потока -накопление информационных зарядовых пакетов.

Для работы в составе измерительных систем, разрабатываемых на базе цифровых вычислительных устройств и взаимодействующих с ЭВМ, необходимо выполнить аналого-цифровое преобразование сигналов ПЗС. В связи с тем, что в рассматриваемых камерах время передачи одного элемента изображения составляет 100->-200 не, для преобразования исходного СИ в двоичный цифровой код пригодны только обладающие высоким быстродействием АЦП параллельного типа.

При цифровом представлении СИ, формируемого матричным ПЗС, разлагающим анализируемое изображение на 576x360=207360 элементов с частотой кадров 25 Гц, и его последующем кодировании на восемь двоичных разрядов скорость потока составляет

более 5 Мбайт/с.

Третья глава приводятся описания и результаты эспериментальных исследований метрологических характеристик видеодефектометрических систем. Приведено описание разработки методологии измерения частотно-контрастной характеристики микротелевизионных измерительных систем; исследованы метрологические характеристики ПЗС ТВ-камер. Приводится описание разработки методов и средств метрологического обеспечения систем компьютерной дефектометрии.посвящена исследованию метрологических характеристик измерительных видеоэндоскопов/видеоскопов и их основных элементов - объективов и ПЗС-матриц.

Основное внимание уделено анализу ЧКХ современных объективов, работающих с ПЗС-матрицами. Большое разнообразие типов оптических систем для видеоэндоскопии и режимов их работы (цвет объекта, апертура, масштаб и пр.) затрудняет моделирование их характеристик в рамках универсальных аппроксимирующих функций, описывающих их изобразительные свойства и делает актуальным экспериментальное исследование ЧКХ объективов длдя конкрентных применений. В связи с отсутствием в проспектах ведущих фирм (SONY, Watec и др.) данных о ЧКХ ПЗС-матриц, их экспериментальное исследование также актуально.

На основе предложенной и обоснованной в гл.2 концепции измерения ЧКХ объективов с помощью непосредственно работающих с ними ПЗС-матриц нами создана установка для оценки этой важнейшей характеристики видеоскопических средств.

Оптико-структурная схема установки представлена на рис..

Рис.9. Оптико-структурная схема установки для измерения ЧКХ объектива и ПЗС-матриц микротелевизионных систем для ваидеоэндоскопии.

Установка содержит источник света I, который с помощью конденсора и оптических фильтров освещает объект 2, располагаемый в предметной плоскости исследуемого объектива 3. Микроскоп 4 проектирует в плоскость ПЗС-матрицы б увеличенное («=100") изображение тест-объекта 5, даваемое объективом 3. Видеосигнал ПЗС-матрицы через видеоинтерфейс поступает в ПЭВМ. Результаты измерений визуализуются на дисплее 7, сохраняются и выводятся на принтер.

Микроскоп использован для транспонирования (переноса) пространственных частот в область низкочастотных сигналов (V = 10 мм"'), в которой ПЗС-матрица практически не искажает сигнал (т.е. Т( \>) ~ 1).

ЧКХ микроскопа оценивалась по его непосредственной фокусировке на контрастный тест-объект (мира ГОИ №1, Утах = 200 мм"'). Установлено, что Т(у),„1сго * 1 для^< 50 мм"1.

Для измерения ЧКХ самой ПЗС изображение тест-объекта проектируется на нее непосредственно объективом 3, ЧКХ которого предварительно измерена.

При этом ЧКХ ПЗС-матрицы определяется из уравнения:

T(v)t = 7tv)0 ■ 7tv)„ - 7tv) CCD (18),

где T(v)l - суммарная ЧКХ всей ТВ-системы.

ЧКХ определялась методом последовательного измерения коэффициента передачи контраста (KnK)7tv) для различных пространственных частот в широком интервале длин волн источника света (источник "А" с фильтрами или гелий-неоновый лазер), углов поля зрения объектива, масштабов изображения, яркостей тест-объекта, дефокусировок. В результате получен массив данных для ЧКХ более 10 объективов и ПЗС-матриц различных фирм. Установлен факт существенного повышения ЧКХ при лазерной подсветке объекта, что делает перспективным ее использование в тех случаях, когда возможны измерения в монохроматическом свете.

ЧКХ оценивалась также альтернативным методом,путем сканирования изображения острого края с последующим Фурье-преобразованием производной распределения яркости в этом изображении.При этом достаточно заменить миру на тест тиапа полуплоскости. Уступая в погрешности методу последовательного сканирования

дгМ

пространственных частот (ошибка ^ ^ возрастает от 4% до 10%), метод

полуплоскости отличается высокой производительностью, наглядностью и возможностью использования данных о распределении яркости В(х) в изображении полуплоскости для более точного определения точек перегиба функции В(х), координаты которых, как подтвердил эксперимент, наиболее точно характеризуют положение контура дефекта.

Методика экспериментальной проверки эффективности применения предложенных нами цифровых фильтров, предназначенных для повышения качества при апостериорной обработке изображений дефектов заключалась в предъявлении операторам серий изображений типовых дефектов на фонах различной структуры и определении качества их дешифровки, т.е. вариации времени и вероятности их опознавания, а также погрешности измерения размеров по сравнению с аналогичными параметрами для необработанных изобаржений.

В ходе экспериментов для обработки изображений применялись фильтры Прэтта различной глубины для повышения резкости изображения, оператор Робертса, фильтр избирательного контрастирования, оператор Собеля, различные операторы шумоподавления. Обработки производились с переменным окном - от 2x2 до 5x5 пикселов. Вероятность обнаружения дефектов после обработки изображений в среднем увеличивается на 10-15%.

Результаты подтвердили эффективность предложенных фильтров для конкретных дефектоскопических ситуаций. Вместе с тем поиск и синтез цифровых фильтров, оптимальных в смысле максимизации вышеуказанных параметров дешифровки изображений при одновременном сведении к минимуму вносимого количества артефактов, и пригодных для достаточно широкого класса дефектоскопических изображений (сцен контроля), как показали исследования, достаточно трудоемок.

Конкретный набор фильтров индивидуален для каждой характерной сцены контроля, как и методика их применения.

В четвертой главе описываются созданные при непосредственном участии автора системы типового ряда DX, внедренные на ряде предприятий авиакосмической и нефтегазовой отраслей - базовая дефектоскопическая система DX 2, базовая измерительная дефектоскопическая система DX 3, специальная измерительная дефектоскопическая система DX 3 SCH. Приведены результаты исследований по применению системы DX 3 для наблюдения и измерения результатов магнитопорошковой и капиллярной дефектоскопии контрастным и флуоресцентным методами.

Первая коммерческая система ряда DX (торговая марка Deep eXplorer) была разработана в 1996 г. для трубных заводов компании ЛУК Ойл - УралЛУК Трубмаш. Система состояла из камерной головки в защищенном цилиндрическом корпусе со встроенной фронтальной подсветкой, блока питания ТВ-камеры и подсветки, ПЭВМ со встроенным устройством оцифровки изображения и накопителем со сменными носителями, а также цветного полутонового принтера. Задняя стенка корпуса головки крепилась к средству доставки (телескопической штанге), осуществлявшему горизонтальное перемещение камерной головки по трубе (цилиндру плунжерного насоса). По изображению на экране монитора ПЭВМ оператор осуществлял выходной контроль чистоты внутренней поверхности изделия по окончании операции финнпшровки.

Основные технические данные системы DX 2:

Таблица 2.

Мин. размер поверхностного дефекта, мм 5

Диаметр камерной головки, мм 35

Макс, длина контролируемой трубы, м 30

Размер цифрового изображения, пикселов 768x576

Глубина цвета, бит/пиксел 24

В процессе создания системы DX 2 был отработан математический аппарат обработки изображения, в том числе фильтры для повышения четкости изображения н специальный шумоподавляющий аппрат для исключения влияния чересстрочной структуры ТВ-изображения и шумов видеоканала; показано, что для целей дефектоскопии допустимая емкость цифрового изображения должна быть не ниже 768x576 пикселов. Также было показано, что допустимо использование компрессии изображения с потерями информации по методу JPEG, однако для целей дефектоскопии допустимая степень компрессии статических изображений не должна превышать 6-8, а для динамических изображений - 4,5 - 5.

В конце 1996 г. начались разработки двухканальной телевизионной измерительной системы (ей было присвоено обозначение DX 3) для обмера поверхностных дефектов изделий, а в первом квартале 1997 г. был создан коммерческий образец двухканальной компьютерной телевизионной измерительной системы DX 3 DC. Блок-схема базовой системы показана на рис..

ПЭВМ

Полутоновый принтер Рис.10. Блок-схема базовой системы БХ 3.

В системе был реализован метод светового сечения для измерения по трем координатам объемных дефектов на внутренних стенках изделия. Система включает следующие основные модули и блоки: блок ТВ-камер с осветителями; общий соединительный кабель (длиной до 100 м); блок питания и управления; ПЭВМ со встроенным устройством оцифровки изображения и накопителем библиотеки изображений со сменными носителями; полутоновый принтер.

В блоке ТВ-камер установлена ТВ-камера прямого обзора с широкоугольным объективом, измерительная ТВ-камера (бокового обзора), регулируемые фронтальные светодиодные осветители и подсистема полосовых осветителей для измерений методом светового сечения. Полосовые осветители формируют на дефекте перекрестье профилей, по которым и производятся измерения. Вид дефекта в перекрестье измерительных линий показан на рис..

С помощью полосовых осветителей возможно также измерение рассотяния до поверхности объекта триангуляционным методом, что дает возможность повысить точность измерения размеров дефектов за счет оперативного учета текущего масштаба изображения. Технические данные системы ОХ 3 БС приведены в Табл.3.

Таблица 3._

Стандарт видеосигнала: PAL композит и Y/C

Угол поля зрения ТВ-камеры панорамной - 180°

бокового обзора - 70°

Угол визирования ТВ-камеры панорамной - 0°

бокового обзора - 45°

ПЗС-элементы, пикселов: 2х(597х537)

Спектральный диапазон ТВ-камер: черно-белая: 0,4+1,2 мкм

цветная: 0,38+0,78 мкм

Динамический диапазон ТВ-камер, дБ: >46

Мин.освещенность на объекте, лк: 1

Горизонтальное разрешение телевизионной системы: для PAL-композит - 270 твл

для CC1R Y/C - 400 твл

Погрешность измерений размеров дефектов: в плоскости -0,1 мм

по глубине - 0,3 мм

Емкость цифрового изображения, бит: 768x576x24

Габариты блока ТВ-камер (ШхВхГ), мм 50x80x160

ВТК перемещается внутри объекта контроля с помощью средства доставки, которое проектируется пользователем. Средство доставки должно имеет координатное устройство, позволяющее документировать положение дефекта - координату по X и угол.

Для системы РХ 3 был отработан математический аппарат обработки изображений, специально улучшающий на изображении контуры и границы, и тем самым повышающий точность измерений: градиентные фильтры, в т.ч. Робертса и Собеля, фильтр избирательного контрастирования, визуально создающий на плоском изображении псевдорельеф с резким выделением границ.

В начале 1999 года по специальному заказу НПО "Рыбинские Моторы" на базе системы ЭХ 3 была создана и успешно внедрена система контроля сотовых уплотнителей авиадвигателей БХ 3 ЭСН. С помощью системы проводится контроль сотовых уплотнителей двумя методами.

Рис.11. Вид рабочего экрана измерительного модуля GAUGE PRO пакета программного обеспечения системы DX 3 DC.

Первый метод состоит в непосредственным наблюдением дна ячейки сот. При этом по форме кольца припоя, скрепляющего ячейку и основу, судят о качестве пайки. Для данного метода контроля специально выбиралась геометрия освещения и длина волны источника света.

световод

При втором методе в выбранную ячейку вводят световод, подсоединенный к источнику света и наблюдают появление бликов в соседних с контролируемой ячейках. По количеству бликов и их расположению также делается заключение о качестве пайки.

Принцип данного метода показан на рис.12

На рис. показаны типичные рисунки формирования световых бликов при различных состояниях дня сотовой ячейки и схемы их формирования.

Система включает следующие основные блоки: блок ТВ-камеры с системой структурной подсветки; блок питания телекамеры и системы подстветки; световод с инструментальной головкой; лазерный источник освещения световода с блоком питания; набор соединительных кабелей; ПЭВМ со встроенным устройством оцифровки изображения; полутоновый принтер.

Блок-схема системы ОХ 3 8СН показана на рис..

Рис13.. Блок-схема системы ОХ 3 БСН: 1 - объект; 2 - механизм перемещения объекта; 3 - структурный осветитель; 4 - ПЗС-телекамера; 5 - блок лазерной локальной подсветки; б - плата оцифровки изображения; 7 - ПЭВМ; 8 - дисплей; 9 -

оператор; 10- принтер.

Л(х)

Рис. И. Схема формирования световых бликов от различных участков сот для качественной пайки (а), нарушения теплового режима (плохое растекание припоя) (б), а также для случая полного или частичного отсутствия припоя (в)

Рис.15

б

Некачественная пайка сот Качественная пайка сот

На рис. показаны изображения дефектной (слева) и качественной (справа) пайки

сот. Как видно из рис. 15, система БХ 3 БСН позволяет четко отличать дефектные области. Перспектива развития системы - автоматизация отбраковки некачественной пайки,

как по реальному изображению, так и по видеозаписи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведен анализ состояния цифровых средств оптико-телевизионного диагностирования и дефектометрии труднодоступных элементов высоконагруженных элементов конструкций авиакосмической техники. Установлено, что в современных условиях, в связи с переходом к эксплуатации по фактическому состоянию, актуальна разработка цифровых измерительных видеоэндоскопических компьютерных систем для оперативного дефектоскопического мониторинга изделий и объектов. Предложена классификация средств оптической дефектометрии в эндоскопии и обоснован выбор метода светового сечения как наиболее информативного и совместимомо с цифровыми средствами метрологического анализа дефекто-метрических изображений.

2. Проведен анализ метрологических характеристик метода светового сечения применительно к задачам видеоэндоскопии объектов авиакосмической техники и энергомашиностроения. Исследовано влияние перспективных и масштабных искажений изображений дефектов на основе разработанной автором геометро-оптической

• модели метода светового сечения.

3. Показано, что комплексная оценка метрологической надежности видеоэндоскопических систем возможна только с учетом пространственно-частотных перход-ных характеристик (ПЧПХ) всех звеньев, участвующих в формировании изображений дефектов.

4. Предложена методика теоретического и экспериментального анализа ПЧПХ основных звеньев видеоэндоскопических систем с учетом особенностей их спектральных и структурных характеристик. Впервые выполнены экспериментальные измерения ПЧПХ микрообъекгивов, световодных трактов, ГОС-матриц ряда производителей и телевизионных дисплеев в широком интервале яркостей, длин волн и пространственных частот тест-обьектов. Исследовано влияние степени когерентности лазерного излучения на передаточные свойства оптико-телевизионных систем и установлено, что применение лазерной подстветки объектов существенно улучшает разрешающую способность и метрологические свойства видеоэндоскопов. На основе проведенных исследований разработаны рекомендации по оптимизации характеристик измерительных видеоэндоскопов применительно к конкретным дефектоскопическим ситуациям.

5. Предложена методика апостериорной программной обработки дефектоскопических изображений в интерактивных измерительных видеоэндоскопических системах с использованием предложенных автором автором алгоритмов цифровой фильтрации пространственно-частотных спектров объектов. Разработана методика оценки эффективности этой обработки на базе статистического анализа вероятности обнаружения типовых дефектов и погрешности оценки их размеров с помо-

щью видеоэндоскопических интерактивных компьютерных систем. Проведена апробация предложенных методов оценки информационных и метрологических характеристик видеоэндоскопов применительно к конкретным системам контроля, результаты которой подтвердили их достоверность и эффективность.

6. Разработан ряд видеоэндоскопических ситем различного назначения для измерительного контроля и диагностики различных объектов ответственного назначения, в том числе: компьютерная система DX 2 для контроля труб нефтегазового сортамента; компьютерная микротелевизионная система DX 3 DC для контроля изделий спецтехники методом светового сечения; компьютерная видеодефекгометрическая система DX 3 SCH контроля качества пайки сотовых уплотнений авиатурбин.

Результаты выполненных в диссертации исследований были также успешно использованы в системах капиллярной и магнитопорошковой дефектоскопии, использующих телевизионный метод наблюдения и документирования индикаций, в системах цифровой обработки радиографических изображений и других устройствах контроля и диагностики.

Все вышеперечисленные системы успешно внедрены на ряде ведущих предприятий нефтегазового комплекса, оборонной техники, машиностроения.

Публикации автора по теме исследований

1. А.А.Кеткович, Н.Ю.Молодкина, М.В.Филинов "Лазерный телевизионный микроскоп"

2. А.А.Кеткович, М.В.Филинов "Микротелевизионные системы в оперативной видеоэндоскопии объектов в условиях эксплуатации" - Контроль и диагностика, 1998, №1, с.45-49

3. А.А.Кеткович, М.В.Филинов "Информационная оценка дефектоскопической' чувствительности оптико-электронных приборов контроля и диагностики"

4. А.А.Кеткович, В.В.Клюев, М.В. Филинов "Компьютерная видеоэндоскопическая система DX 2 для контроля внутренней поверхности трубопроводов"

5. В.Я. Маклашевский, В.Н.Филинов, М.В.Филинов "Цифровая разработка рентгенографических и рентгенотелевизионных изображений" - 7^ ECNDT Book Of Abstracts, р.47

6. А.А.Кеткович, В.В.Клюев, М.В. Филинов "Компьютерная видеоэндоскопическая система DX 2 для контроля внутренней поверхности трубопроводов"- 7^ ECNDT Book Of Abstracts, р.48

7. В.Н.Филинов, А.А.Кеткович, М.В.Филинов "Оптические и тепловые методы контроля в МНПО "СПЕКТР"" - Контроль и диагностика, 1999, №5, с.40-42

8. A.B. Афонин, Н.К.Костиков, С.Н.Письменная, В.И.Гончаров (ФЦЦТ "Союз", г.Люберцы), М.В. Филинов, А.А.Кеткович "Измерительная оптико-телевизионная система контроля поверхностных дефектов"- 15 Российская научно-техническая конференция "Неразрушающий контроль и диагностика", Тезисы докладов, том

9. М.В.Филинов "Анализ применения цифровых средств в оптико-визуальном контроле"- 15 Российская научно-техническая конференция "Неразрушающий контроль и диагностика", Тезисы докладов, том

10. М.В.Филинов, А.А.Кегкович "Телевизионная дефектоскопическая система БХ 3 БСН для контроля состовых уплотнений авиадвигателей" -15 Российская научно-техническая конференция "Неразрушающий контроль и диагностика", Тезисы докладов, том

11. А.А.Кеткович, В.В.Найханов, М.В.Филинов "Методы снижения погрешностей измерения размеров дефектов методом светового сечения в цифровой телевизионной системе"

. 12. А.А.Кеткович, М.В.Филинов "Моделирование и анализ процессов преобразования дефектоскопической информации в компьютеризованных видеоэндоскопических системах" - Контроль. Диагностика, 1999, №8, с.32-38

Введение. а

Глава 1. Аналитический обзор методов и средств оптической дефектометрии узлов энергоагрегатов

1.1. Характеристика объектов контроля и задач измерений.

1.2. Обзор методов оптической дефектометрии.

1.3. Обзор средств оптической дефектометрии труднодоступных объектов.

1.4. Выводы, постановка задач исследования.

Глава 2. Анализ метрологических возможностей микротелевизионных дефектометрических систем

2.1. Метод светового сечения для измерения объемных поверхностных несплошностей и его метрологические характеристики.

2.2. Преобразование измерительной информации микротелевизионными системами контроля.

2.3. Частотно-контрастные характеристики видеоэндоскопических систем.

2.4. Влияние цифровой обработки изображений на дефектоскопическую чувствительность контроля и точность дефектометрии.

Выводы.

Глава 3. Экспериментальное исследование метрологических характеристик дефектометрических систем

3.1. Разработка методологии измерения частотно-контрастной характеристики микротелевизионных измерительных систем.

3.2. Разработка методики изхмерения частотно-контрастной характеристики приборов оптической дефектоскопии.

Выводы.

Глава 4. Разработка и внедрение систем компьютерной микротелевизионной дефектоскопии

4.1. Компьютерная телевизионная система ЭХ 2 для контроля внутренней поверхности труб нефтегазового сортамента.

4.2. Компьютерная микротелевизионная измерительная система БХ 3 для контроля изделий спецтехники методом светового сечения.

4.3. Компьютерная видеодефектометрическая система ЭХ 3 БСН для контроля сотовых панелей авиационных турбин.

4.4. Применение системы БХ 3 в капиллярной и магнитопорошковой дефектоскопии.

Выводы.

В настоящее время насыщенность среды обитания техногенными системами повышенной опасности достигла критического уровня. Положение усугубляется тем, что основное количество топливно-энергетических, авиакосмических и других систем и средств отработало свой ресурс, однако экономическое состояние не позволяет снимать их с эксплуатации.

В связи с этим определяющее значение приобретает контроль объектов, повышенной опасности по состоянию для определения остаточной ресурса. Это напрямую связано с задачами повышения безопасности эксплуатации такого рода объектов. Переход к эксплуатации по состоянию требует создания средств видеоскопического контроля объектов с обязательной функцией измерения размеров дефектов; размеры дефектов сравниваются с допустимыми значениями, полученными на основе прочностных расчетов, контролируется динамика развития дефектов.

Цель работы - снижение погрешности определения размеров дефектов при телевизионном эндоскопическом контроле, разработка средств видеоэндоскопического контроля и измерения параметров состояния внутренних полостей объектов повышенной опасности. В диссертационной работе решались следующие задачи:

1. Разработка аналитических моделей процессов передачи и воспроизведения изображения в оптико-телевизионных системах контроля с целью описания их пространственных передаточных характеристик;

2. Разработка и исследование методик метрологической аттестации систем оптико-телевизионного контроля;

3. Разработка методов оптимизации оптической передаточной функции с целью улучшения пространственных передаточных характеристик;

4. Разработка и реализация методов цифровой обработки изображения для существенного повышения разрешения системы и качества оцифрованного изображения;

5. Реализация программно-аппаратного комплекса с улучшенными метрологическими характеристиками, легко наращиваемого и реконфигурируемого, со сквозной калибрацией системы, возможностью измерении геометрических и физических характеристик объекта контроля.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработана математическая модель объектов видеоэндоскопических измерений и формулы для определения погрешностей измерений дефектов с учетом масштаба изображения и перспективных искажений.

2. Проведена классификация методов линейных измерений дефектов в видеоэндоскопических системах и обоснован выбор метода светового сечения как наиболее эффективного и адекватного задачам дефектометрии узлов и деталей авиакосмической техники и энергоагрегатов.

3. Впервые теоретически и экспериментально исследованы метрологические характеристики цифровых видеоэндоскопических систем, проанализировано влияние ЧКХ она погрешность измерения размеров трехмерных пространственных дефектов.

4. Определены перспективы развития цифровых видеоэндоскопических систем. Предложен и реализован новый адаптивный метод светового сечения для дефектометрии объектов с помощью видеоэндоскопических систем, инвариантный к ориентации дефектов на поверхности объекта.

-ь

5. Разработана методика измерения ЧКХ видеоэндоскопических систем и методика оценки эффективности влияния цифровой фильтрации на достоверность контроля и погрешность дефектометрии объектов.

Системы различных поколений и модификаций, разработанные в рамках настоящей диссертации, внедрены на предприятии УралЛУК Трубмаш (г. Челябинск), в ФЦДТ "Союз"(г. Люберцы), НПО "Рыбинские Моторы" (г. Рыбинск). Готовится ввод в эксплуатацию еще одной установки БХ 2.1 на УралЛУК Трубмаш, а также на НПО "Салют" (г. Москва).

Диссертация состоит из четырех глав и списка литературы. В первой главе приводится анализ специфики объектов контроля - энергетических установок большой единичной мощности и задач дефектометрии для данного класса объектов; приводится классификация типовых дефектов авиакосмической техники, контролируемых средствами эндоскопии и видеоэндоскопии. Приведен обзор созданных ранее и применяемых в настоящее время видеодефектометрических систем; показаны тенденции их развития. Показаны перспективы развития и применения цифровых средств работы с изображением и визуальной дефектоскопии и дефектометрии. Определены задачи исследования.

Во второй главе проведены теоретические исследования по созданию математической модели оптико-телевизионного тракта цифрового измерительного видеоэндоскопа, реализующего метод светового сечения для измерения трехмерных дефектов. Анализируется влияние цифровой обработки изображения на чувствительность контроля и точность дефектометрии.

Основное внимание уделено анализу погрешностей измерения с учетом специфики применения измерительных видеоэндоскопов для диагностики труднодоступных узлов и агрегатов авиакосмической техники.

Показано, что источники погрешностей можно разбить на три основные группы:

• масштабные и перспективные искажения размеров и формы дефектов; размытие границ и контуров изображения дефекта, обусловленное фильтрацией пространственно-частотных спектров объективом видеоэндоскопа и дискретной структурой матричного ПЗС-преобразователя;

• погрешности апостериорной обработки изображений, вызванные апертурными ограничениями реальных цифровых фильтров с конечным числом анализирующих элементов.

В третей главе приводятся описания и результаты эспериментальных исследований метрологических характеристик видеодефектометрических систем. Разработана методология измерения частотно-контрастной характеристики микротелевизионных измерительных систем; исследованы метрологические характеристики ПЗС ТВ-камер. Приводится описание разработки методов и средств метрологического обеспечения систем компьютерной дефектометрии, исследований метрологических характеристик измерительных видеоскопов и их основных элементов - объективов и ПЗС-матриц.

В четвертой главе описываются созданные при непосредственном участии автора системы типового ряда БХ, внедренные на ряде предприятий авиакосмической и нефтегазовой отраслей - базовая дефектоскопическая система БХ 2, базовая измерительная дефектоскопическая система БХ 3, специальная измерительная дефектоскопическая система БХ 3 БСН. Приведены результаты исследований по применению системы БХ 3 для наблюдения и измерения результатов магнитопорошковой и капиллярной дефектоскопии контрастным и флуоресцентным методами.

- с

Основные научные результаты докладывались на международной конференции. "Энергодиагностика и Condition Monitoring", Москва, 1998 г., 3-ем Международном конгрессе "Защита 98", Москва, 1998 г., 15-ой Российской научно-технической конференции "Неразрушающий контроль и диагностика", Москва, 1999 г., 7-ой Европейской конференции по неразрушающему контролю, Копенгаген, 1999 г., опубликованы в отечественных и зарубежных изданиях.

4.5. Выводы.

1. Описан разработанный и внедренный комплекс БХ 2 - базовая дефектоскопическая система, состоящая из камерной головки со встроенной фронтальной подсветкойц, блока питания ТВ-камеры, блока питания подсветки, ПЭВМ со встроенным устройством цифрового ввода изображения и средствоми вывода обработанных изображений (полутоновым принтером). Используются фильтры для повышения четкости изображений, шумоподавления случайного (точечного) шума видеоканала, компенсации черессторчной структуры изображения; введен аппарат компрессирования изображений. Приведены результаты практического использования.

2. Описана двухканальная телевизионная измерительная система БХ 3 для измерения геометриченских параметров поверхностных дефектов внетренних труднодоступных полостей. Описан математический аппарат обработки изображений с целью улучшения восприятия изображения, и, как прямое следствие - с целью повышения надежности контроля. Описаны процедуры и средства метрологического обеспечения системы БХ 3.

3. Описана ТВ-система контроля качества пайки сотовых уплотнений авиадвигателей, с помощью которй проводится контроль качества пайки на основе непосредственного наблюдения дня ячейки сот, а также на основе анализа бликов в соседних с контролируемой ячейках При вводе в нее световода, подсоединенного к источнику света. Приводятся результаты конкретных применений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведен анализ состояния цифровых средств оптико-телевизионного диагностирования и дефектометрии труднодоступных элементов высоконагруженных элементов конструкций авиакосмической техники. Установлено, что в современных условиях, в связи с переходом к эксплуатации по фактическому состоянию, актуальна разработка цифровых измерительных видеоэндоскопических компьютерных систем для оперативного дефектоскопического мониторинга изделий и объектов. Предложена классификация средств оптической дефектометрии в эндоскопии и обоснован выбор метода светового сечения как наиболее информативного и совместимого с цифровыми средствами обработки изображений.

2. Проведен анализ метрологических характеристик метода светового сечения применительно к задачам видеоэндоскопии объектов авиакосмической техники и энергомашиностроения. Исследовано влияние перспективных и масштабных искажений изображений дефектов на основе разработанной автором оптико-геометрической модели метода светового сечения.

3. Показано, что комплексная оценка метрологической надежности видеоэндоскопических систем возможна только с учетом пространственно-частотных переходных характеристик (ПЧПХ) всех звеньев, участвующих в формировании изображений дефектов.

4. Предложена методика теоретического и экспериментального анализа ПЧПХ основных звеньев видеоэндоскопических систем с учетом особенностей их спектральных и структурных характеристик. Впервые выполнены экспериментальные измерения ПЧПХ микрообъективов, световодных трактов, ПЗС-матриц ряда производителей и телевизионных дисплеев в широком интервале яркостей, длин волн и пространственных частот тест-объектов. Исследовано влияние степени когерентности лазерного излучения на передаточные свойства оптико-телевизионных систем и установлено, что применение лазерной подстветки объектов существенно улучшает разрешающую способность и метрологические свойства видеоэндоскопов. На основе проведенных исследований разработаны рекомендации по оптимизации характеристик измерительных видеоэндоскопов применительно к конкретным дефектоскопическим ситуациям.

5. Предложена методика апостериорной программной обработки дефектоскопи-ческих изображений в интерактивных измерительных видеоэндоскопических системах с использованием предложенных автором алгоритмов цифровой фильтрации пространственно-частотных спектров объектов. Разработана, методика оценки эффективности этой обработки на базе статистического анализа вероятности обнаружения типовых дефектов и погрешности оценки их размеров с помощью видеоэндоскопических интерактивных компьютерных систем. Проведена апробация предложенных методов оценки информационных и метрологических характеристик видеоэндоскопов применительно к конкретным системам контроля, результаты которой подтвердили их достоверность и эффективность.

6. Разработан ряд видеоэндоскопических систем различного назначения для измерительного контроля и диагностики различных объектов ответственного назначения, в том числе: компьютерная система БХ 2 для контроля труб нефтегазового сорта-мента; компьютерная микротелевизионная система БХ 3 БС для контроля изделий спецтехники методом светового сечения; компьютерная видеодефектометрическая системаБХ 3 БСН контроля качества пайки сотовых уплотнений авиатурбин.

-119

Результаты выполненных в диссертации исследований были также успешно использованы в системах капиллярной и магнитопорошковой дефектоскопии, использующих телевизионный метод наблюдения и документирования индикаций, в системах цифровой обработки радиографических изображений и других устройствах контроля и диагностики.

Все вышеперечисленные системы успешно внедрены на ряде ведущих предприятий нефтегазового комплекса, оборонной техники, машиностроения.

1. Неразрушающий контроль и диагностика./Под ред. В.В. Клюева. Справочник. М.: "Машиностроение", 1995.

2. Технические средства диагностирования. /Под ред. В.В. Клюева. М. : "Машиностроение", 1989.

3. Неразрушающий контроль. Практ. пособие./Под ред. В.В. Сухорукова. М.: "Высшая Школа" 1992.

4. Webster, G. A browser system for hierarhically structured image data./ Insight, pp Vol.37, Nr 7, July 1995.

5. Szaby D., Palasti J. Non-Destructive Testing at the reactor vessels of Paks Nuclear Plant./ Insight, pp 187-189, Vol.38, Nr 3, March 1996

6. Product spotlight: Visual Testing Methods/Materials Evaluation, pp 575-586, Vol.54.Nr5, May 1996.

7. Шелест Д.К. Методы аппаратной обработки изображений в автоматических системах контроля./Дефектоскопия №5, 1995, стр. 25-34.

8. Лопухин В.А., Салмин П.Н. Анализ методов сжатия видеоинформации в реальном масштабе времени./Дефектоскопия №5, 1995, стр. 35-41.

9. Чен Ш.-К. Принципы проектирования систем визуальной информации. М. : "Мир" 1994.

10. Г.М. Мослягин и др. Теория оптико-электронных систем. М.: "Машиностроение" 1990.

11. Блейхут Р. Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов. М.: "Мир" 1989.

12. Носов Ю.Р. Оптоэлектроника. М.: "Радио и связь" 1989.

13. Р.Е. Быков и др. Телевидение. М.: "Высшая Школа" 1988.

14. Основы оптоэлектроники. Пер. с японского Э.Г. Азербаева и др. Под ред. канд. ф.-м. н. К.М. Голанта. М.: "Мир" 1988.

15. Кеткович А.А., Марков П.И., Саттаров Д.К. Волоконно-оптическая интроскопия. Л.: "Машиностроение" 1987.

16. Василенко Г.И.ДараторинА.М. Восстановление изображений. М.: "Радиоисвязь" 1986.

17. Красильников Н.Н. Теория передачи и восприятия изображений. М.: "Радио и связь" 1986.

18. Зубарев Ю.Б., Глориозов Г.Л. Передача изображений. М.: "Радио и связь" 1982.

19. Прэтт У. Цифровая обработка изображений (1 и 2 тт.). М.: "Мир" 1982.

20. Цифровое кодирование телевизионных изображений./Под ред. проф. И.И. Цуккермана. М.: "Радиоисвязь" 1981.

21. Колтовой Н.А. Системы обработки изображений. /Итоги науки и техники. Серия "Промышленные роботы и манипуляторы", т.З., 1995.

22. OES Industrial Video Analyzer IW-1. / Olympus Industrial Co.Ltd. Проспект.

23. Промышленные эндоскопы OES фирмы Олимпас./ Olympus Industrial Co.Ltd. Проспект.

24. Spécial Purpose Systems. / Olympus Industrial Co.Ltd. Проспект.

25. Argus 300 Videoendoscope. / EFER. Проспект.

26. Vidar VXR-12. / Vidar Systems Corporation. Проспект.

27. VideoProbe 2000. / Welch Allyn. Проспект.

28. Видеотелевизионный измерительный комплекс ВИК./Московское машиностроительное производственное объединение "Салют". Проспект., 1998.

29. Радиусомер ОГ-50, проспект МНПО"СПЕКТР".

30. Измерительный эндоскоп ОГ-50, проспект МНПО "СПЕКТР".

31. Бычков О. В. Контроль внутренних поверхностей; М, Машиностроение, 1985, 150.

32. Эндоскоп ТИЭ-10, проспект МНПО "СПЕКТР".

33. Эндоскопическая видеосистема ЭВС-201./ ПО "Электрон". Проспект., 1998.

34. MUSTEK Paragon 12000 SP IV Mustek. Проспект.35