Научная статья на тему 'К вопросам построения струйно-капельных оптических измерительных систем: контроль электризации металлизированных полимерных пленок при автоматизированной лазерной перфорации'

К вопросам построения струйно-капельных оптических измерительных систем: контроль электризации металлизированных полимерных пленок при автоматизированной лазерной перфорации Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
65
14
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Область наук
Ключевые слова
ПЕРФОРАЦИЯ / ПОЛИМЕРНАЯ ПЛЕНКА / ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ЗАРЯД / ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ / ЗАРЯЖЕННАЯ КАПЛЯ / КАПЕЛЬНЫЙ ПОТОК / ВИДЕОРЕГИСТРАЦИЯ / PERFORATION / POLYMER FILM / ELECTROSTATIC CHARGE / ELECTRIZATION / CHARGED DROP / DRIP FLOW / VIDEO RECORDING

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Леун Евгений Владимирович, Чередов Александр Иванович, Сергеев Даниил Владимирович, Сысоев Валентин Константинович

В статье исследуются струйно-капельные оптические измерительные системы (СКОИС) для контроля электризации изделий типа металлизированных полимерных пленок при лазерной перфорации. В статье показано, что основной причиной электризации пленок является удаление вещества лазерным импульсом с образованием в микрообъеме плазмы газообразного ионизирующего вещества, его небольшим осаждением на кромку перфорируемого отверстия при отсутствии контакта с металлизацией пленки. Описан режим работы СКОИС с формированием монодисперсного когерентного заряжаемого капельного потока и видеорегистрацией траектории движения его заряженных капель вдоль центров перфорируемых отверстий вблизи пленки. Определены максимальные заряды перфорируемых отверстий пленки и движущихся капель и рассчитаны смещения от их взаимодействия. Определены требования к средствам видеорегистрации и обработки полученных стробоскопических микрофотографий.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Леун Евгений Владимирович, Чередов Александр Иванович, Сергеев Даниил Владимирович, Сысоев Валентин Константинович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Questions of design of jet-droplet optical measuring systems: control of electrification of metallized polymer films during automated laser perforation

The article is devoted to the use of jet-droplet optical measuring systems (JDOMS) for monitoring the electrization of products such as metallized polymer films during their laser perforation. The article shows that the main reason for the electrization of films is the removal of matter by a laser pulse with the formation in the microvolume of the plasma, a gaseous ionizing substance and its partial deposition on the edge of the perforated hole in the absence of contact with the metallization of the film. The JDOMS operating mode with the formation of a monodisperse coherent controlled charged droplet flow and video recording of the trajectory of charged droplets along the centers of perforated holes near the film is described based on the measurements of which electrization is controlled. The maximum charges of the perforated holes of the film and moving drops are determined. The displacements from their interaction and the JDOMS sensitivity limit for electrification control are calculated. The requirements to the means of video recording and processing of the obtained stroboscopic micrographs are determined.

Текст научной работы на тему «К вопросам построения струйно-капельных оптических измерительных систем: контроль электризации металлизированных полимерных пленок при автоматизированной лазерной перфорации»

УДК 621.373.826:62-932.4:621.317.318:681.785.64 С В ЛЕУН

DOI: 10.25206/1813-8225-2019-167-86-93

А. И. ЧЕРЕДОВ2 Д. В. СЕРГЕЕВ1 В. К. СЫСОЕВ1

1АО «НПО Лавочкина», Московская область, г. Химки

2Омский государственный технический университет, г. Омск

К ВОПРОСАМ ПОСТРОЕНИЯ СТРУЙНО-КАПЕЛЬНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ: КОНТРОЛЬ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ МЕТАЛЛИЗИРОВАННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ ПЛЕНОК ПРИ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ЛАЗЕРНОЙ ПЕРФОРАЦИИ

В статье исследуются струйно-капельные оптические измерительные системы (СКОИС) для контроля электризации изделий типа металлизированных полимерных пленок при лазерной перфорации. В статье показано, что основной причиной электризации пленок является удаление вещества лазерным импульсом с образованием в микрообъеме плазмы газообразного ионизирующего вещества, его небольшим осаждением на кромку перфорируемого отверстия при отсутствии контакта с металлизацией пленки. Описан режим работы СКОИС с формированием монодисперсного когерентного заряжаемого капельного потока и видеорегистрацией траектории движения его заряженных капель вдоль центров перфорируемых отверстий вблизи пленки. Определены максимальные заряды перфорируемых отверстий пленки и движущихся капель и рассчитаны смещения от их взаимодействия. Определены требования к средствам видеорегистрации и обработки полученных стробоскопических микрофотографий.

Ключевые слова: перфорация, полимерная пленка, электростатический заряд, электризация, заряженная капля, капельный поток, видеорегистрация.

Введение. При производстве экранно-вакуум- ного электрического заряда (в дальнейшем — заряд),

ной теплоизоляции (ЭВТИ), являющейся пассив- возникающего от лазерной перфорации, является

ным элементом в системе обеспечения теплового актуальной задачей. Один из вариантов ее решения

режима космического аппарата [1], используются основан на использовании струйно-капельной оп-

полиимидные или полиэтилентерефталатные ме- тической измерительной системы (СКОИС) с при-

таллизированные полимерные пленки (в даль- менением монодисперсных когерентных капельных

нейшем — пленки) с одно- или двухсторонним потоков [8—15]. Данная работа продолжает серию

А1-покрытием толщиной -0,1 мкм [2]. Для лучшего публикаций по вопросам построения СКОИС [16,

вакуумирования ЭВТИ пленки перфорируют, наи- 17] для задачи контроля электризации пленок при

более перспективной из которых является лазерная лазерной перфорации. В открытой печати таких

перфорация [3, 4]. исследований во всей полноте ранее представлено

В АО «НПО Лавочкина» создан автоматизиро- не было, и данная статья направлена на восполне-

ванный лазерный перфоратор (в дальнейшем — ние этого недостатка.

перфоратор) для создания в пленках отверстий 1. Конструкция, принцип действия перфорато-

(рис. 1) диаметром 1...5 мм и шагом 50 мм по осям ра и технологические особенности лазерной пер-

ОХ и ОУ [5 — 7]. Контроль электризации пленки форации пленок. В разделе описаны конструкции

за счет измерения остаточного нескомпенсирован- перфоратора, входящей в него видеоизмерительной

вал

'пленки 1 пылесос (бобины приемная бобина подачи пленок

а)

б)

Рис. 1. Схема перфоратора (а) и импульсного удаления материала пленки по круговой траектории в процессе перфорации (б)

а)

б)

в)

г)

Рис. 2. Перфорационные отверстия: на пленке (а), его увеличенный фрагмент с двумя перфорационными отверстиями (б), изображение кромки в режиме композиционного контраста (в), структура материала вблизи кромки с образованием зазора l между нагаром

и алюминиевой металлизацией (г)

системы контроля электризации пленок и физический процесс лазерной перфорации, приводящий к появлению углеродного нагара и заряда на кромке отверстия.

1.1. Конструкция, принцип действия перфоратора. В разработанном перфораторе (рис. 1а) используются иттербиевый (УЪ) волоконный импульсный лазер с длиной волны Х= 1,062 мкм, средней мощностью Рр = 20 Вт, оптическая система, фокусирующая лазерный луч в пятно на пленке с диаметром 40...60 мкм, лентопротяжный механизм с двумя валами, привод лазера, обеспечивающий линейные и угловые перемещения лазера с оптической системой и лазерного луча во время светового импульса, пылесос, воздушносвязанный с зоной перфорации, удаляющий воздушным потоком различные газовые и мелкодисперсные выделения перфорации [6, 7].

Подаваемая(ые) пленка(и) намотана(ы) на бобине(ах) и с помощью валов лентопротяжного

механизма протягивается через зону перфорации, наматываясь далее цельным полотном пленки с перфорационными отверстиями на приемную бобину. При работе натяжение пленки(ок) контролируется скоростью вращения бобин и валов.

В основе автоматизированной лазерной перфорации лежат синхронизация протягивания одной или двух пленок лентопротяжным механизмом синхронно с управлением лазером и его приводом для создания набора отверстий с импульсным точечным удалением(прожиганием) материала пленки вдоль замкнутой круговой траектории (рис. 1б) для каждого из них.

1.2. Технологические особенности лазерной перфорации пленок. Физический процесс перфорации (рис. 2) основан на мощном импульсном воздействии лазерного излучения на пленку, включающим абляцию, т.е. удаление (с небольшим частичным осаждением на кромку отверстия) вещества лазер-

а)

б)

Рис. 3. Видеоизмерительная схема контроля электризации пленок при лазерной перфорации:

виды сверху (а) и сбоку (б)

ным импульсом с диапазоном скоростей от испарения до микровзрыва. Этот процесс сопровождается образованием в микрообъеме плазмы, газообразного ионизирующего вещества с появлением в области перфорации пленки заряда. Так как лазерный луч освещает пленку со стороны металлизации, то большая часть заряда от осаждаемого ионизирующего вещества распределяется по всей площади металлизации пленки с отведением металлическими валами и другими деталями на корпус заземленного перфоратора.

В процессе перфорации на кромке отверстия образуется нагар (рис. 2б, в, г). Его основу составляет углерод (С) [18], который, контактируя с металлизацией пленки, способствует отводу заряда из зоны перфорации. Однако иногда контакт между углеродным проводящим нагаром с алюминиевой металлизацией пленки может отсутствовать с заполнением за счет тепловых деформаций образующегося между ними зазора 1 толщиной до 10...25 мкм диэлектрическим полимером (рис. 2в, г). Это приводит к появлению нескомпенсированного остаточного заряда Цперф.

1.3. Видеоизмерительная система контроля электризации пленок: устройство и принцип действия. В разработанном способе контроля используется электрокаплеструйное устройство, подобное рассмотренному в [19 — 21] для формирования направленного монодисперсного когерентного капельного потока с заданной траекторией движения.

Устройство видеоизмерительной системы контроля заряда пленок ЭВТИ при лазерной перфорации (в дальнейшем — видеоизмерительная система) показано на рис. 1, на котором обозначено: головка 1, струя жидкости, состоящая из нераспавшейся части 2 длиной 1нчс и движущегося капельного потока 3, перфорируемой пленки 4, защитной пленки 5, коллектора 6, трубопровода 7, фильтра 8, насоса 9, зарядного устройства 10, видеокамеры 11, блока управления 12.

Разработанная видеоизмерительная система (рис. 3) работает следующим образом. При подаче жидкости насосом 9 под давлением Р и под воздействием моногармонического переменного сигнала и , с частотой / от блока управления 12

воза мод 1 1

на пьезопреобразователь головки 1 формирует вытекающую струю жидкости с нарастающими вдоль

нее по амплитуде колебания, приводящие в итоге в режиме вынужденного капиллярного распада (ВКР) с каплеобразованием и появлением нерас-павшейся части струи 2 длиной 1нчс и движущегося монодисперсного когерентного потока капель 3.

Пролетая со скоростью Укап через зарядное устройство 10 с импульсно подаваемым на него отрицательным сигналом изар амплитудой до нескольких киловольт от блока управления 12 (преобразователь напряжения не показан на схеме), капли приобретают положительный заряд дши. Управление сигналом изар позволяет формировать почти любой набор движущихся капель: полностью заряженный или незаряженный, а также с их любым заданным сочетанием.

Капли пролетают по оси ОХ, вдоль линий центров перфорированных отверстий со стороны диэлектрической основы пленки 4, образуя с ней малый зазор, не более 5 — 7 мм, с расположенной там тонкой защитной диэлектрической пленкой 5 (с диэлектрической проницаемостью 8^1, например, полистирол, полиэтилен и т.п.) для защиты от потенциального забрызгивания.

Положительно заряженные капли 3, пролетающие мимо заряженных участков пленки 4, отклоняются под действием силы Кулона подобно электрону в кинескопе телевизора от первоначальной траектории своего движения на от остаточного нескомпенсированного заряда Цперф в перфорируемых отверстиях пленки 4.

С блока управления 12 на отклоняющие электроды 13, расположенные, как вариант, между перфорируемых отверстий, подаются сигналы и01, и02... и0п относительно заземленной металлизации пленки, формируя в зазоре между ними электрическое поле, отклоняющее движущуюся заряженную каплю Д1 , компенсируя Д1 . В процессе измере-

откл 1 кул ± ' ±

ний добиваются минимизации текущего значения отклонения Д1Z капли. Видеокамера 11 регистрирует траектории полета капель, определяя их смещения Д1Е в плоскости ХОУ, судя по которому рассчитываются значения остаточного нескомпенсирован-ного заряда Цперф для каждого перфорируемого отверстия.

Анализ электрических и оптических параметров СКОИС приведен далее. В исследовании сделаны два допущения: форма капель при зарядке от зарядного устройства является сферической, не учи-

перфорируемого отверстия от зазора для полиимидной и полиэтилентерефталатной пленок

ет максимального значения q рассчитанного

^к max 1

далее.

2.3. Расчет максимального заряда, образующегося после лазерной перфорации. Как сказано выше, в результате лазерной перфорации между образующимся углеродным нагаром ззз тонкой металлизацией пленки толщиной - 0,1 мкм может образовываться зазор ¡з. Из-за тепловых деформаций полимер пленки, расширяясь, заполнит этот зазор. Поэтому максимальный заряд, образующийся после лазерной перфорации, будет ограничен электричр-ской прочностью полимера Еир. Ддя заряда дп(,рф ша-ровидной формы значение напряженности поля Еп ,

вычисляемой как

Епр =

1

ооп 0J

получаем

\Яперф\ = Enp 47ls0 (0е

(1)

тывается сила аэродинамического сопротивления при движении капель в воздухе.

2. Анализ электрических параметров СКОиС.

В разделе рассматриваются вопросы формирования движущегося заряженного капельного потока, произведены расчеты максимального заряда, образующегося после лазерной перфорации, максимального заряда сферической капли и параметров взаимодействия заряженных капель с зарядом перфорированных отверстий.

2.1. Нераспавшаяся часть струи. Нераспавша-яся часть струи, длина которой 1нчс, определяется моментом достижения амплитудой возмущения значения, равного радиусу струи гстр, имеет периодический ряд бегущих волн с длиной Лстр « 2,2йстр [3, 4], возрастающих утолщений и уменьшающихся перешейков соответственно. Каждое утолщение к концу струи вырастает до отрывающейся капли диаметром йап, движущейся со скоростью

2ст

1--, где а и р — поверхност-

р • г • V2

г стр стр

ное натяжение и плотность жидкости.

2.2. Начальный период формирования движущегося заряженного капельного потока. Формирующиеся капли имеют размер удвоенного диаметра струи (сопла): й « 2й [11, 12], реально достигая 15 —

V > кап стр 1 ' * ^ ^

200 мкм, с возможностью увеличения до 400 мкм [15] и даже до «1000 мкм со сферичностью и однородностью по размеру не хуже 0,5 % и 0,1 % соответственно [11].

Зарядное устройство, выполненное, как вариант, в виде цилиндрической втулки длиной 1зу« (6 — 8)Лстр [15], работает импульсно по сигналу изар и расположено в месте разделения струи на капли, обеспечивая за счет индукционной электризации, зарядку всех или нужного набора в нужной последовательности капель, отделяющихся отструи.

В тачале полета капли испытывают небольшие затухающие колебания с частотой фр, зависящие от силы поверхностного натяжения и по-лученн ым на своей поверхности зарядом д [11], определяемые выражением для невязкой жидко-

сти со =

р 2о

1 1р(н-1)

Р- -тр

(и + е)-о-

I тар

16о Е„

• -3

кап

На рис. 4 построены два графика рассчитанных значений |дперф| для полиимидной иаи полиэтилентерефталатной пленок при и =150 МВ/м и 250 МВ/м

соответственно. И при l =25 мкм q

10,4 пКл

и дперф2 « 17,4 пКл. В с вязи с тем, что характеристики материалов пленок имеют допуски и близки по значениям, то для vальлeйшиx расчетов можно упрощенно приюпь среднев ариПэм^'2п^^1б^ское этих двух значений, которое равно дперф « 14 пКл.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

2.4. Расчет максимального заряда сферической капли. Заряд, сообщаемый капле в варядном устройстве, зvвисыv от лиаметра струи Л и зартжаващего напряжения и : д = П •и [15]. Обе экепериман-

^ зар Ркап к зар 1 J ^

тальные зависимости изображены на рис. 5. Олра-ко м^1^сиваал^]я^1^1е1 заряд сферической капли дк тах ограничен условиемАар}^^ яия целостности капли, когда элекvроcтaтичecкие силы отталкивания элементарны. зарядов ня отдфльнып точвах поверхности капли превысяв силы поверхносинова натяжения [15]:

Ят m

8оеп„е_ d,.

(2)

где ад — ыоэффициент поверхностного натяжения технолроалес лой жидкости, используемой в элекгрокаплеструйиых устройствах (для воды а = = 7240-3 Н/м).

Другим важным параметроа являетая удельныИ И а

заряд

-, вы=аж=нве для которого с учетом (2)

и уравнения для массы капли тшп, оертделяемо-му пропорционатно ее шаровидному объему Ушп и плотности жидко сти р

ТА 4о ( dpn ) о • р • в

= Р ^ Р0Т ИГ) = — Т

3

тап

(3)

примет вид

уноЧе qdipр т^нн^ея

о • Р о Во 6

(4)

где

80 — проницаемость вакуума, р — номер гармоники. Управлением этим зарядом дшп можно собственную частоту Шр уменьшать до нуля. Примем, что к моменту измерений при пролете заряженной капли мимо перфорационных отверстий колебания капли затихли и заряд дшп не превыша-

Для формул (2) и (4) были построены зависимости от 0°: (рис. 6а, б) и для зависимости И(пар

Ы^квп

(рис. 6б) чавствитель ноа ть (в виде смещений траектории даижения) ттри взаимодействии с зарядом будет максимальной прт (!кап меньших, чем < «100 ... 200 мкм.

m

Я

т max

m

1(Г,3Кл

12 10 8 б 4 2 О

изар=юов

30 60 90 120 150 180 астр НГ'м а)

Синтокс 20-М,

5%

50 100 150 200 и1ЩОВ б)

Рис. 5. Экспериментальные зависимости заряда капли от диаметра струи (а) и заряжающего напряжения (б) [15]

Цк та.т<

пКл

250,00 200,00 150.00 100.00 50,00 0.00

50 150 250 350 450 550 650 750 850 950

а)

Як чах/)

40.00 Н.ОО 30.00 2?.00 20,00 15.00 10.00 5.00

0.00

гэ,,.,

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 ТОО 750 800 850 900 9501000

б)

Ч к е

Рис. 6. Зависимости отношения максимального заряда капли тах(а) и заряда к массе к(б)

2.4. Взаимодействие заряженных капель, с зарядом перфорированных отверст ий. В свези р тем, что перрорираемые отыерсыия находазся, как плоило, еа реостоянии 1реде = С>0 мм друс от друга, ро сила Кулона Рул от заряда на пленке действует до п ролетающую каплю лишь ямпульсн о. Од-д<о1ео суммарное ее действие можно пересчи-тять с действия ее соеднего значения за период

М' а М„

1

зар

' кул

кул

1

перф

V

Сила

,-, 1дперф |Чкрп М а -

40 4ес0с11 = 8,8510-12 Ф/м

кулоновского

^ ^перф |Чкрп

к ■■

1

9 ■ 10-

Н ■ мл

с1зрз

электрическая , д . и д —

' ^ перф ^ кап

постоянная,

электроста-

в данном случае — воздуха, 1заз — длина здзора между пленкой и каплей.

С учетом вышесказанного и у]еавнения для массы капли (к) смещения заряжмнной капли А1 под действием силы Кулона примет вид:

М = куе 2т

F' ■ 12

куе перф

. Для отверстия 0 = 2 мм с размерк!л

0,43 ■ 10"

■ к к

(5)

ми: зоно1 Faгара по и 0,25 мм (с небольшим запасом) с каждой его стороны имеем 1за =и,5 мм, и торда М' . 0,05 М .

кул ' кул

Смещение заряженной капли А1шп рассчитывается по формуле Л1 . в—!—, в которой ускорение

е м;л

а возникает под действием силы К.лона в а —ку0-,

откуда при учете направления движе ния капли получаем искомо4в ыр аже ние

4, ■ ■ у 1

Иперф 0,43 ■ 106 ■ ккП ■ 11рф

■ М1„

(6)

а время I определяется временем пролета между перфр>рируемыми отверстиями — t а

взаимодействия

где 80 =

4же0 Ме

тические заряды на кромках зоны нагара пленки после перфорации и пролетающей капли, 80 и 8 — диэлектрическая проницаемость вакуума и среды,

Как следует из толученного уравнения при известных значениях параметров 1 , 1 , д , V

^ ^ з ар перф кап 1аа п' кап

по смещению капли Д1, определяемому с помощью видеоизмерительной системы, рассчитывается значение д ,.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

2.5. Взаимодействие заряженных капель с управляемым электричефким полем. Управление направлением движения капли нужно для возможной компенсации потенциально возникающих больших значений смещенис движущейся капли Д1кап, выходящие за предрлы уяапазона измерений. Для дан-

я

1

и

я

ного технического решения напротив заземленной (ф0 = 0) металлизации пленки находится электрод с потенциалом ф1, формируядля движущейся ка-ряженной капли отююняющую систему с подзем денным напряжением и0 = ф1 _ф0- Для плоско параллельных металлизации и торца электрода^ которые можно считать откеоняющими пластмнамк, при пренебрежении влиянием поля заряженнзй капли

на Е можно записать Е = К . ДДе ¡0 — расстояние

между отклоняющими плассинамм (тодцом электрода и металлизацией пленки). Тогда смещение заряженной капли записывается в виде формулы [15]:

jl|l]l]Ujl|!|

т

4 мм

ШИПИ

а)

3 мм

|

б)

л/ = U•■W-j*> g„

2w„ -L- v l„„

(7)

где ¥кап — скорость капли, 1 — длина элзктрода, ¡н — расстояние от координаты эзектрода до ^ст^сз р -динаты ближайшего центра перфомирдемогн отверстия, для одно го из я ариантов имеем 1я = п]рК .

2.6. Измерение элеидпризации пленок. Помимо взаимодействия заряженных капель с зарядом перфорированных отверстий (п. 2.4) и управляемым электрическим полем (п. 2.5) еще действует сила тяжести Р^^.. И её деИствие на движущуюся со скоростью V каплю в течение времени пролета поперек всей пленки шириной ¡ил приводит к смещению Д1

л„

2vL

(8)

AL = М + М - М =

ь тяж кул откл

= G+ М - М

кул Ql

(9)

Ш|!]ШШ1Ш( щ !|Ш

3 мм

где д — ускорение свободного падения, 9,8 м/с2.

С учетом формул (5), (7) и (8) текущее значение Д1Е есть сумма смещений от действия силы тяжести Д1 , кулоновского отталкивания Д1 и отклонения

тяж' ^ кул

в управляемом электрическом поле Д1отл (с учетом направления действия):

где С — постоянный коэффициент: С = Д1тяж.

С помощью видеоизмерительной системы измеряется значение Д1л, в виде разности искомой величины Д1 и ее уравновешивающей Д1 , реализуя

кул 1 1 откл 1

дифференциальный метод измерения. При Д1Е^0, когда в результате нескольких циклов добиваются выполнения условия Д1 = С + Д1 , то метод изме-

откл кул

рения становится нулевым. И таким образом управлением значения Д1 через измерение Д1 можно

откл 1 1 л

определить Д1кул, а далее, согласно формуле (9), рассчитать искомое значение заряда дперф.

С учетом вышесказанного способ измерения электризации пленок и дперф можно реализовать разными алгоритмами, например, с использованием двух следующих операций:

1) запуск незаряженной капли и регистрация ее траектории движения;

2) запуск заряженной капли и регистрация ее траектории движения на координатах, соответствующих центрам перфорируемых отверстий. Для исключения выхода капли из поля зрения при больших значениях д возможно постепенное увеличение заряда от капли к капле.

в)

Рис. 7. Стробоскопические микрофотографий формирования процесса монодисперсного капельного потока водных чернил при dc = 100 мкм [14]

3. Анализ оптических параметров СКОиС.

В разделе обсуждаются особенности видеорегистрации траектории движения заряженных капель.

3.1. Видеорегистрация движений капель капельного потока. Современные быстродействующие средства видеорегистрации (импульсной стробоскопической микрофотографии) подвижного объекта позволяют с высокой точностью фиксировать его текущее положение и/или смещения. На рис. 7 показаны стробоскопические микрофотографий формирования процесса монодисперсного капельного потока водных чернил, полученные не позже 2003 г. [14]. Как видно, положение капли йшпи 200 мкм и параметры ее траектории движения можно измерить с точностью не хуже Мвр и 25 мкм. С учетом существенного прогресса с момента исследований [14] за прошедшие более 15 лет можно предположить, что к настоящему времени Мвр < 10 мкм.

3.2. Регистратор с широким полем зрения. Уменьшение габаритов и повышение точности измерений видеоизмерительной системы обусловливают максимальное приближение видеорегистратора к капельному потоку, вынуждая увеличивать ее угол обзора. Удовлетворение этого требования возможно при использовании широкоугольных и сверхширокоугольных объективов типа «fish-eye» с полем обзора до 180° [19, 20], включая корректировку программными средствами дисторсии у получаемых стробоскопические микрофотографий.

3.3. Возможности повышения качества видеорегистрации изображений. Уменьшение искажений «смаза» при регистрации изображений быстро перемещающихся изделий возможно при использовании технологии временной задержки накопления (технология «e2v»).

Точность измерения смещений движущихся капель напрямую связана с качеством изображения, преобразованного видеокамерой. Одно из направлений повышения точности связано с применением методов субпиксельной обработки изображений, подобных рассмотренным в [21, 22].

Другое направление связано с корректировкой изображений, искаженных по разным причинам:

изменения чувствительности пикселов, смаза изображения, влиянием шумов: внутреннего и импульсного, вызванного сбоем в работе сенсоров ПЗС-матрицы или их выхода из строя (появление «битых пикселов»), гауссова — из-за шума в электронных цепях и других причин.

Как правило, для подобных корректировок используются одномерные интегральные уравнения Вольтерра I рода, Фредгольма I рода типа свертки или двумерные интегральные уравнения Фредголь-ма I рода типа свертки [23, 24].

Заключение.

1. Электризация отверстий пленки при ее лазерной перфорации обусловлена осаждением на кромку перфорируемого отверстия газообразного ионизирующего вещества, возникающего под действием мощного лазерного излучения и отсутствием контакта между образующимся углеродным проводящим нагаром на кромке отверстия и металлизацией пленки, не позволящий отводить некомпенсированный остаточный заряд. Для полиимидной или по-лиэтилентерефталатной пленок некомпенсированный остаточный заряд может составить « 10,4 пКл и « 17,4 пКл соответственно.

2. Измерение остаточного заряда на перфорируемых отверстиях возможно за счет видеорегистрации траектории движения заряженных капель, которые выступают в качестве чувствительного элемента.

3. Корректировка траектории движения заряженных капель в управляемом электрическом поле между заземленной металлизацией пленки и дополнительно введенными электродами позволяет предотвратить большие смещения капель, исключая выход за пределы диапазона измерений.

4. Повышение точности измерений и уменьшение габаритов видеоизмерительной системы обусловливает максимальное приближение к капельному потоку, вынуждая увеличивать ее угол обзора до 180° за счет применения широкоугольных и сверхширокоугольных объективов типа «fish-eye» с корректировкой программными средствами дис-торсии у получаемых стробоскопические микрофотографий.

Библиографический список

1. Луженков В. В., Игнатенко А. П. Система обеспечения теплового режима межорбитального космического буксира «Фрегат» // Вестник НПО им. С. А. Лавочкина. 2014. № 1. С. 37-40.

2. ОСТ 92-1380-83. Изоляция тепловая экранно-вакуумная. Марки и технические требования. Введ. 01.01.1985. М., 1983.

37 с.

3. Дорофеев А. Н., Пожидаев Е. Д., Саенко В. С., Тютнев А. П. Природа электростатических разрядов на внешней поверхности космических аппаратов // Физика и химия обработки материалов. 2004. № 5. С. 32-37.

4. Пленка перфорированная: Основные характеристики // «Еврофилм» - производство упаковочной продукции. 2016. URL: http://www.eurofilm.ru/packaging/perforated-film/ (дата обращения: 29.09.2019).

5. Сысоев В. К., Вартапетов С. К., Вятлев П. А., Малин-ский Т. В. [и др.]. Высокоэффективный лазерный перфоратор тонких материалов на основе эксимерного лазера // Исследовано в России. 2010. Т. 13. С. 689-702.

6. Пат. 133046 Российская Федерация, МПК B 26 F 1/31, B 23 K 26/08, B 23 K 26/38. Установка для лазерной перфорации многослойных рулонных материалов / Барабанов А. А., Вятлев П. А., Грозин В. А., Сергеев Д. В., Стекольщиков О. Ю.,

Сысоев В. К. № 2013123479/02; заявл. 23.05.13; опубл. 10.10.13. Бюл. № 28.

7. Пат. 2561580 Российская Федерация, МПК B 26 F 1/31, B 23 K 26/382, B 23 K 26/60. Способ лазерной перфорации многослойных рулонных материалов и устройство для его осуществления / Пичхадзе К. М., Сысоев В. К., Вятлев П. А., Леун Е. В., Сергеев Д. В., Барабанов А. А. № 2014120333/02; заявл. 21.05.14; опубл. 27.08.15, Бюл. № 24.

8. Коротеев А. А. Обобщенные тепловые характеристики капельных холодильников-излучателей низко- и среднетем-пературных диапазонов // Известия РАН. Энергетика. 2013. № 4. C. 108-117.

9. Эксперимент «Капля-2 // Сайт космонавта РФ Артемьева О. Г. URL: http://www.artemjew.ru/2014/04/17/foto-kaplya-tbu/ (дата обращения: 29.09.2019).

10. Пат. 2247064 Российская Федерация, МПК B 64 G1/50, F 28 D 21/00. Капельный холодильник-излучатель / Конюхов Г. В., Коротеев А. А., Нечаев В. Ю., Петров А. И., Железняков А. Г., Баранчиков В. А., Костюк Л. Н. № 2003121089; заявл. 14.07.03; опубл. 27.02.05, Бюл. № 6.

11. Аметистов Е. В., Дмитриев А. С. Монодисперсные системы и технологии: моногр. М.: МЭИ, 2002. 390 с. ISBN 5-7046-0875-2.

12. Бухаров А. В. Теплофизические проблемы получения стабильных капельных потоков с минимальным разбросом по скорости и размерам капель: дис. ... д-ра техн. наук. М., 2016. 390 с.

13. Нагорный B. C. Электрокаплеструйные регистрирующие устройства. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1988. 269 с. ISBN 5-217-00012-0.

14. Безруков В. И. Научно-технические основы и аппаратное обеспечение автоматизированной электрокаплеструйной маркировки изделий: дис. ... д-ра техн. наук. СПб., 2003. 563 с.

15. Левченко Ю. А. Управляемый метод электрокапле-струйного нанесения технологических жидкостей на химические нити: дис. ... канд. техн. наук. СПб., 1999. 194 с.

16. Леун Е. В. Вопросы построения струйно-капельных оптических измерительных систем: принцип и режимы работы, возможности и основные характеристики // Омский научный вестник. 2018. № 6 (162). С. 189-195. DOI: 10.25206/1813-82252018-162-189-195.

17. Леун Е. В. Вопросы построения струйно-капельных оптических измерительных систем: регистрация сигналов акустической эмиссии и измерение температуры в зоне резания при точении, сверлении и фрезеровании // Омский научный вестник. 2019. № 1(163). С. 55-61. DOI: 10.25206/1813-82252019-163-55-61.

18. Сысоев В. К., Барабанов А. А., Вятлев П. А., Сергеев Д. В. Физико-химические свойства перфорированных лазерным излучением металлизированных полимерных пленок // Письма о материалах. 2015. Т. 5, № 1. С. 7-10.

19. Пат. 2379722 Российская Федерация, МПК G 02 B 9/64. Широкоугольный объектив типа рыбий глаз / Бронштейн И. Г., Васильев В. Н., Лившиц И. Л., Михайличен-ко С. А., Мамаев В. Ю., Сергеев М. Б., Снопов В. В., Ру-фанов С. В. № 2008139656; заявл. 06.10.08, опубл. 20.01.10, Бюл. № 2.

20. Пат. 2626298 Российская Федерация, МПК G 02 B 9/62, G 02 B 13/06. Объектив типа рыбий глаз / Богданков В. А. № 2016106624; заявл. 26.02.16, опубл. 25.07.17, Бюл. № 21.

21. Кавиева Е. С. Методы и алгоритмы субпиксельной обработки цифровых изображений: дис. ... канд. техн. наук. Белгород, 2016. 126 с.

22. Резник А. Л. Методы, алгоритмы и программы для ускоренного решения трудоемких задач обработки случайных дискретных полей и цифровых изображений: дис. ... д-ра техн. наук. Новосибирск, 2004. 241 с.

23. Сизиков В. С., Кирьянов К. А. Два быстрых алгоритма восстановления смазанных изображений // Известия вузов. Приборостроение. 2013. Т. 56, № 10. С. 24-30.

24. Sizikov V. S., Ekzempliarov R. A. Operating sequence when noise is being filtered on distorted images // Journal of Optical Technology. 2013. Vol. 80 (1). P. 28-34. DOI: 10.1364/ JOT.80.000028.

АЕУН Евгений Владимирович, кандидат технических наук, ведущий инженер АО «НПО Лавочкина».

SPIN-код: 6060-8056 AuthorlD (РИНЦ): 367560 AuthorlD (SCOPUS): 57200722184 Адрес для переписки: stankin1999@mail.ru ЧЕРЕДОВ Александр Иванович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики» Омского государственного технического университета.

SPIN-код: 6957-1660

AuthorlD (РИНЦ): 471995

Адрес для переписки: stankin1999@mail.ru

СЕРГЕЕВ Даниил Владимирович, кандидат технических наук, инженер-конструктор 2-й категории АО «НПО Лавочкина». Адрес для переписки: sdv@laspace.ru СЫСОЕВ Валентин Константинович, доктор технических наук, начальник отдела АО «НПО Лавочкина».

БРНЧ-код: 5673-6495

АиШогГО (РИНЦ): 565837

Адрес для переписки: sdv@laspace.ru

Для цитирования

Леун Е. В., Чередов А. И., Сергеев Д. В., Сысоев В. К. Вопросы построения струйно-капельных оптических измерительных систем: контроль электризации металлизированных полимерных пленок при автоматизированной лазерной перфорации // Омский научный вестник. 2019. № 5 (167). С. 86-93. БОН 10.25206/1813-8225-2019-167-86-93.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Статья поступила в редакцию 07.10.2019 г. © Е. В. Леун, А. И. Чередов, Д. В. Сергеев, В. К. Сысоев

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.