CC BY
38
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ПОПЕРЕЧНЫХ СМЕЩЕНИЙ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ АВТОКОЛЛИМАЦИОННОЙ СИСТЕМОЙ КОНТРОЛЯ ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ ИЗМЕНЕНИЯХ
ЯРКОСТИ ИСТОЧНИКОВ
А.А. Горбачев, И.А. Коняхин, А.Н. Тимофеев
Во многих практических задачах, таких как измерение линейных смещений, контроль деформаций конструкций при монтаже крупногабаритных сооружений и зданий, управление положением рабочими органами машин в строительстве, применяются автоколлимационные оптико-электронные измерительные системы [1].
Основными преимуществами таких систем является бесконтактность, дистанционность и возможность полной автоматизации процессов измерения. Высокое быстродействие позволяет широко использовать эти системы для активного контроля пространственного положения объектов [3].
Среди подобных систем особое место занимают распределенные системы авторефлексионного типа (рис.1). На фоточувствительный прибор с зарядовой связью (ФПЗС) 1, находящейся в приемном блоке 2, через объектив 3 и светофильтр излучающей головки 5 проецируются изображения двух полупроводниковых излучающих диодов (ПИД) 4, закрепленных на оптической головке (ОГ). В качестве отражателя используется трипель-призма 6 (стеклянный тетраэдр) [2].
Рис. 1. Схема авторефлексионной системы
При смещении трипель-призмы 6 происходит соответствующее смещение отраженного пучка, формируемого ОГ, что приводит к соответствующему перемещению изображения ПИД 4 в плоскости анализа системы (площадка ФПЗС 1). Система обработки видеокадра, формируемого ФПЗС 1 (на рис. 1 не показана), выполняет измерение смещения изображения ПИД 4 и вычисляет пропорциональное ему смещение трипель-призмой 6. Использование двух ПИД позволяет выполнять калибровку системы без предварительного измерения рабочей дистанции.
Рассмотрим полный цикл работы устройства. Включается один ПИД, по команде с центрального блока обработки производится захват кадра с ФПЗС, далее в компьютере обрабатывающей системы определяется энергетический центр тяжести изображения ПИД, после чего включенный ПИД выключается и зажигается второй ПИД. Далее процесс повторяется со вторым ПИД. В соответствии с рис. 2 (1 и 2 -изображения обоих ПИД) после определения энергетических центров тяжести обоих ПИД компьютер обрабатывающей системы рассчитывает координаты середины этого отрезка, пропорциональные измеряемым линейным смещениям.
4Y
Yi
X2
X Xi
t
-►X
2
1
2
Рис. 2. Определение координат X и Y изображений ПИД на матричном ФПЗС
Необходима оптимизация значения яркости источников по критерию минимизации погрешности измерений. Теоретическая оптимизация трудоемка по причине большого количества влияющих факторов, что определило эмпирический путь решения задачи. В качестве экспериментального образца была использована оптико-электронная система контроля соосности.
Экспериментальная установка представляет собой ОГ 2, на которую крепятся два светодиода, и контрольный элемент (КЭ) 3 в виде трипель-призмы, закрепленные в специальных штативах 4, 5, располагающихся на оптической скамье типа ОСК-2 (рис. 3). Оптическая головка электрически связана с блоком предварительной обработки измерительной информации 6, информация с которого поступает в обрабатывающий компьютер (ОК) 8. Работа с блоком предварительной обработки измерительной информации 6 обеспечивается источником питания 7 и программой ОК 8.
В качестве источника оптического излучения используются два ПИД АЛ-107Б; в качестве приемника - ФПЗС-матрица ICX055AL фирмы SONY размером 537x597 элементов; в качестве КЭ - трипель-призма из стекла марки К8, объектив от теодолита ТБ-3 с фокусным расстоянием f = 250 мм.
Рис. 3. Схема экспериментальной установки
Целью эксперимента являлось определение погрешности поперечных смещений в зависимости от яркости источников излучения. Графики полученных зависимостей приведены на рис. 4 и рис. 5.
0,20
18
23
28
33
38
43
48
Ток светодиодов I, мА
Рис. 4. Зависимость погрешности поперечных смещений Ах от тока ПИД I
л Ч (и о И
<
0,30 -I
0,25
0,20
К 0,15
0,10 0,05
0,00
18
23
28
33
38
43
48
Ток светодиодов I, мА
Рис. 5. Зависимость погрешности поперечных смещений Ау от тока ПИД I
Из рис. 4 и рис.5 можно сделать вывод, что погрешность измерения поперечных смещений по осям X и У имеет одинаковую форму изменения: сначала идет убывание погрешности измерения, затем ее возрастание и далее снова убывание. Это объясняется непостоянством освещенности на матрице ФПЗС вследствие изменения дистанции между ОГ и КЭ и влиянием внешнего фона, которое приводит к изменению уровня шумов матрицы ФПЗС. Для исключения влияния яркости источников излучения на погрешность измерения следует создать постоянную освещенность в изображении на матрице ФПЗС при любых расстояниях между ОГ и КЭ. Для уменьшения фонового излучения, попадающего в плоскость приемника излучения, можно использовать бленды (устройства, устанавливаемые перед входным зрачком оптической системы для ее защиты от засветок), что уменьшит погрешность от фоновых засветок [3].
Выполним аналитический расчет освещенности изображения ПИД. Рассмотрим трипель-призму в развертке в соответствии со схемой, показанный на рис. 6, где 1 -источник излучения, 2 - плоскопараллельная пластинка, 3 - приемник излучения.
Рис. 6. Эквивалентная схема расчета
Освещенность на матрице ФПЗС будет равна [4]
Фпзс
Е пзс _ е
изо
где ФПзс _ т0 • ФВх - поток, приходящий на входной зрачок объектива; То - коэффициент пропускания оптической системы; ФПЗС - поток, падающий на матрицу ФПЗС;
А- _(2а, Н
- площадь изображения излучающей площадки светодиода, Ад - площадь диафрагмы светодиода;
2а-Г
- расстояние от последней поверхности объектива до изображения, где а - расстояние от ОГ до КЭ; / - заднее фокусное расстояние объектива.
Поток, приходящий на входной зрачок объектива, определяется по формуле:
Ф вх. _ т с • п • 4 • Ад • 81й2 о
где тс - коэффициент пропускания среды; Ье - яркость светодиода; а - передний апертурный угол, определяемый из соотношения
А
БШО « _ ■
вх.зр.
4 • а
где -Овх.зр. - диаметр объектива; а - расстояние между источником и приемником излучения.
Учитывая предыдущие выражения, получаем:
Еепзс _ п • т • Ь
(П >
вх.зр.
2Г
1 -
2а
где т = то тс - интегральный коэффициент пропускания оптической системы и воздушного тракта.
Графическое представление освещенности на матрице ФПЗС показано на рис. 7.
Из графика рис. 7 следует, что на больших дистанциях можно принять освещенность на матрице ФПЗС постоянной. На малых же дистанциях (1-6 м) освещенность резко изменяется с изменением расстояния между ОГ и КЭ, что и приводит к погрешностям, изображенным на рис. 2 и рис. 3.
Для обеспечения неизменной освещенности при изменении дистанции следует соответственно изменять яркость ПИД. Экспериментально установлена следующая шкала рабочих токов ПИД: на дистанции 4 м - 25 мА, 4.8 м - 25 мА, 5.8 м - 32 мА, 6.8 м - 44 мА, 7.8 м - 44 мА.
Оставшаяся нескомпенсированной составляющая погрешности измерения связана с влиянием внешних факторов - вибрацией контрольного элемента и базовой установки, изменением яркости фона (появления фоновых засветок) и непостоянством коэффициента пропускания окружающей среды.
2
2
50,5 45,5 40,5 35,5 30,5
Вт/25'5
^ 20,5 15,5 10,5
1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51
а, м
Рис.7. Зависимость освещенности на матрице ФПЗС от расстояния между ОГ и КЭ а при яркости светодиода Le=4200 Вт/м2.ср
Литература
1. Карасев В.И., Монэс Д.С. Методы оптических измерений при монтаже турбоагрегатов. М.: Энергия, 1973.
2. Коняхин И.А., Панков Э.Д. Трехкоординатные оптические и оптико-электронные угломеры. М.: Недра, 1991.
3. Панков Э.Д., Прокофьев А.В., Тимофеев А.Н. Автоколлимационная оптико-электронная система контроля положения элементов турбоагрегатов. // Конференция "Лазеры. Измерения. Информация". 6 - 7 июня 2001г. / Тез. докл. СПб: БГТУ, 2001.
4. Якушенков Ю.Г. Проектирование оптико-электронных приборов. М.: Логос, 2000.
5. Якушенков Ю.Г. Оптические системы фотоэлектрических устройств. М.: Машиностроение, 1966.
