CC BY
56
УДК 004.932.2
Григорьев А.В., Трусов В.А., Баннов В.Я., Андреев П.Г., Таньков Г.В.
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
МОДЕЛИРОВАНИЕ СЛЕДА РАЗМЫТИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ КРУГЛОЙ МЕТКИ ПРИ ЕЕ КОМПЛАНАРНОМ И ОРТОГОНАЛЬНОМ ВИБРОПЕРЕМЕЩЕНИЯХ
Согласно ГОСТ 24346-80 «Вибрация. Термины и определения», под вибрацией понимается «движение точки или механической системы, при котором происходят колебания характеризующих его скалярных величин». Например, циклические вибрационные перемещения точек на поверхности печатной платы в составе печатного узла радиоэлектронной аппаратуры приводят к растяжению-сжатию печатных проводников.
Вибрация бывает полезная и вредная (Иориш Ю.И. Виброметрия. М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 19 63).
К вредной вибрации относится повышение износа осей, валов, подшипников; возникновение усталости металлов и из-за этого поломки деталей машин, образование трещин в фундаментах, стенках, резервуарах, обрывы тросов и проводников; поломки щеток электромоторов и пр. Вибрация оказывает также и отрицательное воздействие на человеческий организм. При длительном воздействии сильной вибрации возможны профессиональные заболевания.
Это же самое явление, вибрация, находит широкое применение в технике. Перемешивание и утрамбовка бетона, вибропрокат строительных деталей, транспортировка и сортировка сыпучих тел, подача мелких деталей в поточном производстве, измельчение породы, забивка свай, бурение скважин, обработка и очистка металла и пластмасс, ускорение химических реакций — это далеко не полный перечень областей, в которых вибрация оказывает неоценимую помощь.
Измерение параметров вибраций необходимо как для оценки вредных воздействий, так и для контроля полезных параметров. Отдельным самостоятельным применением измерения вибраций (вибро-метрии) является вибродиагностика, применение методов вибродиагностики позволяет выявить зарождающийся дефект в машине или в механизме. Измерение параметров вибраций машин и механизмов приносит большую пользу для изучения функционирования сложной машины, дальнейшего ее совершенствования, выбора оптимального режима, автоматического регулирования хода, управления и пр. Вибродиагностика зданий и сооружений позволяет выявить начавшиеся процессы усталостных разрушений, микротрещины в фундаментах и несущих конструкциях, опорах мостов и пр.
Узлы и модули радиоэлектронной аппаратуры в процессе эксплуатации также подвергаются вибрационным воздействиям. Особенно это касается бортовой аппаратуры, устанавливаемой на автомобилях, поездах, морских и речных судах, летательных и космических аппаратах.
Такая аппаратура должна подвергаться тщательным испытаниям на вибростендах и в условиях эксплуатации. При этом необходимо применение высококачественной современной техники измерения параметров вибраций.
Методы измерения вибраций подразделяются на контактные и бесконтактные.
При реализации контактных методов на объект устанавливаются датчики, которые имеют непосредственный механический контакт с исследуемым объектом. Во время вибраций эти датчики формируют сигналы, пропорциональные текущим параметрам вибраций. Сигналы эти, как правило, являются электрическими, хотя могут иметь и другую физическую природу.
При реализации бесконтактных методов исследуемый объект либо отражает, либо излучает, либо пропускает через себя излучения. Эти излучения могут иметь различную физическую природу. Приемно-измерительное устройство эти излучения регистрирует, измеряет и представляет в определенной форме, например в виде матрицы цифровых
кодов значений регистрируемого параметра. Другие устройства системы вибродиагностики обрабатывают и анализируют эти данные. Результатом работы системы являются параметры вибраций исследуемого объекта.
При измерении вибраций с помощью лазерной интерферометрии зондирующий и отражённый сигналы суммируют, полученный результирующий световой сигнал преобразуют в электрический и регистрируют спектр этого сигнала (Пат. RU 2097710 Способ исследования колебаний / Д.А. Усанов, А.В. Скрипаль, В.А. Вагарин — Опубл. 27.11.1997). По полученному спектру сигнала судят об амплитудах вибраций объекта. К недостаткам этого способа следует отнести сложность, громоздкость и высокую стоимость оборудования, большое энергопотребление, высокие требования к качеству поверхности исследуемого объекта, высокие требования к состоянию атмосферы (определённая влажность, отсутствие запылённости и т. п.), кроме того, не определяется направление вибрации.
Параметрами вибраций являются виброперемещения, виброскорости и виброускорения. Виброакселерометр измеряет виброускорения. Все три указанных величины являются векторными. То есть эти величины имеют направление. Они характеризуются тремя компонентами, которые являются абсциссой, ординатой и аппликатой вектора виброперемещения, виброскорости или виброускорения. Трехкомпонентный пьезоэлектрический виброакселерометр с одним чувствительным элементом (Пат. RU 2061242 Трехкомпонентный пьезоэлектрический виброакселерометр с одним чувствительным элементом / И.Б. Кобяков — Опубл. 27.05.1996) относится к классу контактных устройств для измерения вибраций.
На вибрирующем объекте устанавливается пьезоэлектрический трёхкомпонентный датчик виброускорений, содержащий один чувствительный элемент. К недостаткам этого способа следует отнести то, что контактный пьезочувствительный вибродатчик является источником погрешности измерений, если его масса и габариты сравнимы с соответствующими показателями вибрирующего объекта. Если, например, требуется измерить амплитуды и направления вибраций узла радиоэлектронной аппаратуры, смонтированного на печатной плате, то погрешность, вносимая изделиями пье-зокерамики в форме прямоугольных параллелепипедов с квадратным основанием около 10мм и высотой, сравнимой с размерами основания, будет весьма существенной. К тому же, в узлах печатного монтажа, как правило, требуется измерять вибрации одновременно во многих точках этих узлов. Установка большого числа вибродатчиков с громоздким навесным монтажом может увеличить вносимую погрешность до неприемлемых величин.
Известен также бесконтактный способ измерения вибраций. Это способ разработан для измерения вибраций зданий и сооружений. Он заключается в том, что на вибрирующем объекте закрепляют трафарет с нанесёнными на него группами параллельных штрихов различной ширины, имеющих общую ось симметрии, с расстоянием между штрихами в группе, равным удвоенной ширине штриха (Пат. RU 23 957 92 Способ измерения параметров вибрации объекта / С.П. Пронин, Е.А. Зрюмов, А.В. Юден-ков — Опубл. 27.07.2010). С помощью видеокамеры формируют на экране монитора компьютера изображение трафарета с вибрационным размытием и фиксацией соответствующей частоты кадровой развёртки видеокамеры, равной частоте вибрации объекта. После этого регистрируют в неподвижном изображении трафарета нулевой контраст в группе наиболее широких штрихов. По ширине штриха в этой группе судят о размахе вибрации объекта. К
недостаткам этого способа следует отнести то, что измерения возможны только в том случае, если направление вибрации перпендикулярно оси симметрии штрихов. Если это условие не выполняется, то нулевой контраст в группе штрихов не несёт информации о размахе вибрации. Количество групп штрихов на трафарете должно быть равно требуемому коэффициенту перекрытия по динамическому диапазону вибраций. Поэтому, с повышением требований к точности измерений усложняется трафарет, растут его масса и габаритные размеры. А это, в свою очередь, снижает точность измерений.
В статье [1] поставлена задача повышения эффективности передающих антенн СВЧ диапазона за счёт учёта и компенсации влияния внешних воздействий. В работе [2] опубликованы результаты математического моделирования влияния вибраций на излучение антенны.
Задача модернизации антенн с учётом влияния вибрационных воздействий не может быть решена без разработки современных бесконтактных точных средств измерения параметров вибраций.
Задача измерения величин и направлений вибраций актуальна при исследовании динамических характеристик технических систем [3]. Знание этих характеристик необходимо для реализации методик многофакторного обеспечения их надежности [4].
Способы измерения вибраций, с помощью которых данная задача может быть решена, предложены в [5,6]. Эти способы бесконтактного измерения величин и направлений виброперемещений исследуемого объекта в заданных контрольных точках эффективны при измерении вибраций любых объектов, в частности, при измерении вибраций зданий и сооружений, машин и механизмов. Весьма значимый эффект от внедрения данных способов ожидается в области измерения вибраций узлов и модулей радиоэлектронной аппаратуры.
Оба эти способа характеризуются четырьмя основными этапами:
1) нанесением на исследуемый объект при отсутствии вибраций светоотражающих или флюоресцирующих меток круглой формы;
2) регистрацией изображений меток при отсутствии вибраций и определением геометрических параметров этих изображений;
3) регистрацией следов размытия изображений меток при наличии вибраций и определением геометрических параметров этих следов;
4) сравнительным анализом геометрических параметров изображений меток при отсутствии вибраций и следов размытия этих изображений при наличии вибраций с целью определения модулей и направлений векторов амплитуды виброперемещения контрольных точек исследуемого объекта.
Измерение координат центра тяжести изображения области связанных элементов осуществляется способом, предложенным в [7]. След вибрационного размытия метки должен быть представлен в виде бинарного изображения. Преобразование исходного полутонового следа вибрационного размытия метки в бинарное изображение традиционным уровнево-пороговым методом приводит к недопустимо большим погрешностям преобразования. Это связано с тем, что след вибрационного размытия имеет размытые границы. Поэтому бинаризация следа вибрационного размытия метки осуществляется структурно-разностным методом. Сущность и современное состояние развития этого метода представлено в публикациях [8-11] Методологические основы обработки изображений, применяемые для формирования и маркировки сегментов и кластеров, изложены в публикациях [12-14].
Вибрационное перемещение круглой метки строго параллельно плоскости изображения приводит к формированию следа размытия изображения этой метки вытянутой формы: (рис. 1).
На рис. 1 сплошной линией показана граница следа вибрационного размытия изображения метки, а пунктирными линиями показаны границы изобра-
жения метки в среднем и крайних положениях вибрационного перемещения этой метки.
Рисунок 1 - След размытия изображения круглой метки при её строго параллельном плоскости изображения вибрационном перемещении
Вытянутый след вибрационного размытия метки имеет две оси симметрии: большую ЕВ и малую СВ. Длины отрезков ЕВ и СВ будем называть длиной и шириной следа вибрационного размытия изображения метки, соответственно. Координаты точки О пересечения осей симметрии следа вибрационного размытия круглой метки и координаты центра тяжести изображения метки при отсутствии вибраций совпадают. Длину отрезка ОВ будем называть полудлиной следа вибрационного размытия метки и обозначать 1ку. Длину отрезка ОВ будем называть полушириной следа вибрационного размытия изображения круглой метки и обозначать 1
Как видно из рис. 1:
4у = 1ху - К , (1)
где Ьку — амплитуда перемещения центра тяжести изображения метки.
Ау = Рху ■ ^ , (2)
где Аку — проекция вектора амплитуды виброперемещения центра тяжести метки на плоскость изображения; рку — коэффициент пропорциональности.
Другими словами, величина проекции вектора амплитуды виброперемещения центра тяжести метки на плоскость изображения прямо пропорциональна амплитуде перемещения центра тяжести изображения этой метки.
Вибрационное перемещение метки параллельно плоскости изображения приводит к формированию вытянутого следа размытия: полудлина этого следа 1ку превышает его полуширину 1и:
1ху > К ■ (3)
При этом полуширина следа вибрационного размытия изображения круглой метки 1и равна радиусу изображения этой метки при отсутствии вибраций 10:
4 = ¡0 (4)
Перемещение круглой метки строго перпендикулярно плоскости изображения приводит к модуляции диаметра изображения этой метки. Когда метка приближается к объективу видеокамеры, диаметр изображения этой метки увеличивается, а когда метка удаляется от объектива, диаметр изображения этой метки уменьшается. Из этого следует, что диаметр следа размытия изображения метки при её вибрационном перемещении перпендикулярно плоскости изображения будет превышать диаметр изображения метки при отсутствии вибраций (рис.2).
На рис. 2 сплошной линией показана граница следа вибрационного размытия метки, а пунктирной линией — граница изображения метки при отсутствии вибраций.
Приращение радиуса изображения метки вследствие вибраций прямо пропорционально величине проекции вектора амплитуды виброперемещения центра тяжести метки на направление, перпендикулярное плоскости изображения, то есть:
4 = Pz ■ Lz , (5)
где Az — величина проекции вектора амплитуды виброперемещения центра тяжести метки на направление, перпендикулярное плоскости изображения; Lz — приращение радиуса изображения метки; pz — коэффициент пропорциональности.
Lz = lz -10 (6)
где lz — радиус следа размытия изображения метки при её строго перпендикулярном плоскости изображения виброперемещении; l0 — радиус изображения метки при отсутствии вибраций.
Как видим (рис. 2), след размытия изображения метки при её вибрационном перемещении строго перпендикулярно плоскости изображения не обладает признаком вытянутости: его полудлина lxy равна его полуширине lz:
lxy = lz • (7)
При этом полуширина следа вибрационного размытия изображения круглой метки lz превышает радиус изображения этой метки при отсутствии вибраций l0:
lz > lo • (8)
ЛИТЕРАТУРА
1. Yurkov N.K., Gorbalysov M.S., Yakimov A.N. The improving of the Radar Detection System under the Influence of External Actions. // Modern problems of radioengeneering, telecommunications, and computer science: Proceedings of the International Conference TCSET'2012 February 2124 2012. P. 186-187.
2. Shishulin D.N., Yurkov N.K., Yakimov A.N. Research of the Vibration Effects on the Mirror Antenna's Radiation Using ANSYS // Modern problems of radioengeneering, telecommunications, and computer science: Proceedings of the International Conference TCSET'2014 25 February — 1 March, 2014. P. 135.
3. Артемов И.И. Акустическая эмиссия в условиях "скрытого" подрастания микротрещин / Артемов И.И., Кревчик В.Д. // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2005. № 4. С. 92-95.
4. Юрков, Н.К. Информационная технология многофакторного обеспечения надежности сложных электронных систем [Текст] / Н.К. Юрков, А.В. Затылкин, С.Н. Полесский, И.А. Иванов, А.В. Лысенко // Надежность и качество сложных систем. 2013. № 4. С. 75-79.
5. Патент 2535237 РФ, МПК G01H9/00. Способ измерения вибраций / Држевецкий А.Л., Юрков Н.К., Григорьев А.В., Затылкин А.В., Кочегаров И.И., Кузнецов С.В., Држевецкий Ю.А., Деркач В.А. -№ 2013128327/28; заявл. 20.06.2013.
6. Патент 2535522 РФ, МПК G01H9/00. Способ измерения вибраций / Држевецкий А.Л., Юрков Н.К., Григорьев А.В., Затылкин А.В., Кочегаров И.И., Кузнецов С.В., Држевецкий Ю.А., Деркач В.А. -№ 2013128329/28; заявл. 20.06.2013.
7. Патент 2032218 РФ, МПК G06K9/00. Устройство для селекции изображений объектов / Држевецкий А.Л., Контишев В.Н., Григорьев А.В., Царев А.Г. -№ 4891118/24; заявл. 17.12.1990; опубл. 27.03.1995.
8. Григорьев А.В., Држевецкий А.Л., Баннов В.Я., Трусов В.А., Кособоков А.С. Об ограничениях уровнево-пороговой сегментации полутоновых растровых изображений // Труды международного симпозиума «Надежность и качество». 2014. Т. 2. С. 18-21.
9. Григорьев А.В., Држевецкий А.Л., Баннов В.Я., Трусов В.А., Кособоков А.С. Принцип негативно-контурной классификации растровых элементов полутоновых изображений // Труды международного симпозиума «Надежность и качество». 2014. Т. 2. С. 21-24.
10. Григорьев, А.В. Горизонтально-положительный анализ элементов плоского сегмента полутонового растрового изображения [Текст] / А.В. Григорьев, А.Л. Држевецкий, В.Я. Баннов, В.А. Трусов,
A.С. Кособоков // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2014. Т. 2. С. 24-27.
11. Григорьев, А.В. Горизонтально-положительный анализ контурных элементов плоской вершины на протяженном убывающем склоне растровой поверхности [Текст] / А.В. Григорьев, А.Л. Држевецкий,
B.Я. Баннов, В.А. Трусов, А.С. Кособоков // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2014. Т. 2. С. 27-30.
12. Григорьев, А.В. Способ обнаружения и идентификации латентных технологических дефектов печатных плат [Текст] / А.В. Григорьев, А.Л. Држевецкий, Н.К. Юрков // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2013. Т. 1. С. 15-19.
13. Артемов И.И. Экспериментальные исследования разрушения листовой рессоры транспортных средств / Артемов И.И., Келасьев В.В., Генералова А.А. // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2009. № 2. С. 145-155.
14. Григорьев, А.В. Классификация дефектов бортовой РЭА [Текст] / А.В. Григорьев, Е.А. Данилова, А.Л. Држевецкий // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2013. Т. 1. С. 228231.
Рисунок 2 - След размытия изображения метки при её строго перпендикулярном плоскости изображения вибрационном перемещении
УДК 004.932.2
Григорьев А.В., Юрков Н.К. , Кочегаров И.И., Затылкин А.В., Горячев Н.В.
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
МОДЕЛИРОВАНИЕ СЛЕДА РАЗМЫТИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ КРУГЛОЙ МЕТКИ ПРИ ЕЕ ПРОИЗВОЛЬНОМ ВИБРОПЕРЕМЕЩЕНИИ
Вибрационное перемещение круглой метки под некоторым, не равным нулю и не прямым, углом к плоскости изображения приводит к формированию следа размытия изображения этой метки следующей формы: (рис. 1).
На рис. 1 сплошной линией показана граница следа вибрационного размытия изображения метки,
а пунктирными линиями показаны границы изображения метки в среднем и крайних положениях вибрационного перемещения этой метки и граница изображения метки при отсутствии вибраций.
Анализ модели по рис. 1 показывает, что если вектор амплитуды виброперемещения круглой метки направлен под некоторым, не равным нулю и не
