CC BY
38
ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ АВТОРЕФЛЕКСИОННАЯ СИСТЕМА СО СПЕЦИАЛЬНЫМ КОНТРОЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ СМЕЩЕНИЙ А.А. Алексеева, И.А. Коняхин
В работе проведен анализ оптических схем построения оптико-электронных систем контроля деформаций крупных промышленных объектов. Рассматривается вариант построения оптико-электронной авторефлексионной системы со специальным контрольным элементом для измерения линейных смещений. Также рассматривается чувствительность предложенной системы и погрешности измерения смещения объекта. По результатам эксперимента построен график зависимости чувствительности авторефлексионной системы от дистанции контроля. Полученные экспериментально значения средних квадратических погрешностей составили 0,2 от размера элемента ПЗС-матрицы по оси х и 0,25 от размера элемента ПЗС-матрицы по оси у.
Введение
При мониторинге деформаций крупных промышленных объектов часто используют оптико-электронные системы. Основное требование, предъявляемое к ним, - сохранение метрологических характеристик при работе с переменной дистанцией измерения и отсутствии электрической или механической связи с контролируемым объектом.
Используемые системы включают в себя автоколлиматор, располагающийся на неподвижном основании, и пассивный отражатель (контрольный элемент), закрепленный в контролируемой точке объекта. Они могут реализовать автоколлимационный или авторефлексионный метод измерения.
Автоколлимационный метод
1.
В первом случае объектив 2 строит изображение марки 1а в вершину контрольного элемента 3 (рис. 1).
Рис.1. Автоколлимационная схема измерения (излучающий и приемные каналы
условно разделены)
При смещении контрольного элемента на величину Х изображение 1Ь смещается на величину 2Х. Это изображение проецируется объективом в плоскость анализа, где установлен многоэлементный приемник 4 в виде ПЗС-матрицы. Он регистрирует смещение изображения в плоскости анализа х. Применение алгоритмов цифровой обработки изображений позволяет измерять это смещение с точностью до сотых долей элемента. Чтобы пересчитать измеренное смещение в соответствующее смещение контрольного элемента, воспользуемся формулой
х = х, 2/
(1)
где Ь - дистанция измерения, / - фокусное расстояние объектива. На практике часто пользуются понятием чувствительности
5 = — X
для автоколлимационной системы: 2/
5 =
Ь - /
(2)
(3)
Авторефлексионный метод
При авторефлексионном методе измерения марка 1 располагается в плоскости выходного зрачка объектива 2 (рис. 2).
4
2
1
3
1а
V
2Х
Рис. 2. Авторефлексионная схема измерения
Контрольный элемент в виде идеального световозвращателя строит ее изображение 1а симметрично относительно своей вершины С. При смещении контрольного элемента на величину Х изображение смещается на величину 2Х. Аналогично автоколлимационному методу
х = 2к-£ х, 2/
5 = •
2/
2Ь - /
(4)
Достоинством автоколлимационного метода является более высокая чувствительность, а недостатком - влияние виньетирования. При увеличении дистанции измерения увеличивается изображения марки, и, чтобы оно не срезалось оправой контрольного элемента, приходится увеличивать поперечные размеры отражателя. Это затрудняет реализацию автоколлимационных систем, работающих с дистанциями больше 5 метров.
Общим недостатком автоколлимационных и авторефлексионных систем является зависимость чувствительности от дистанции измерения. Для того чтобы определить смещение контрольного элемента, необходимо априорно знать расстояние до контролируемого объекта.
Достоинства авторефлексионного варианта
Предлагаемый вариант построения авторефлексионной схемы от этого недостатка свободен. В нем в качестве контрольного элемента используется не идеальный световозвращатель, а деформированный - один из его двугранных углов имеет небольшое отклонение от прямого. Такой отражатель строит два изображения марки 1 (рис. 3), которые разнесены друг относительно друга на величину
В = 2-А-/, (5)
где А - параметр отражателя, зависящий от его геометрии и показателя преломления.
4
2
3
1а
В
V'
2Х
Рис. 3. Практическая реализация авторефлексионной системы
При смещении контрольного элемента на величину Х вся система изображений смещается на величину 2Х, причем расстояние В между изображениями не изменяется. Если обозначить расстояние между изображениями в плоскости анализа через Ь, то чувствительность системы может быть определена по формуле
^ = 2 - ^, (6) А/ ^
здесь Ь - измеренное расстояние между изображениями, а А и / - параметры оптической системы, известные заранее с требуемой точностью.
Таким образом, использование в качестве контрольного элемента уголкового отражателя позволяет реализовать систему для измерения линейных смещений, работающую при переменной дистанции измерения и не требующую дополнительных операций по определению этой дистанции.
Погрешность измерения складывается из трех составляющих: влияния на результат измерения ориентации отражателя, влияния виньетирования и погрешности определения координат центров изображений. Появление первой составляющей вызвано использованием отражателя с нарушенной геометрией. Положение изображений, которые он формирует, оказывается функцией от наклона отражателя к линии визирования и параметра А. На практике угол наклона составляет единицы градуса, а А = 0,001, поэтому величина этой погрешности невелика. Погрешность от виньетирования обусловлена тем, что при увеличении дистанции растет расстояние В между изображениями, которые формирует контрольный элемент, и после определенной дистанции начинается срезание изображений оправой отражателя. Однако в силу малости параметра А на дистанциях до 10-15 метров влияние этой погрешности незначительно. Основной составляющей погрешности, таким образом, является погрешность определения координат центра изображения методом взвешенного суммирования. Теоретическая величина этой погрешности в условиях оптимальной энергетической ситуации составляет величину порядка 0,05 от размера элемента матрицы.
Результаты эксперимента
Экспериментальная установка включала в себя: автоколлиматор (источник излучения - излучающий диод АЛ107Б мощностью 10 мВт, объектив с внутренней фокусировкой f = 250 мм, D = 50 мм, ПЗС-матрицу Sony с размером элемента 11,17х 13,88 мкм) и контрольный элемент с параметром А = 0,001.
В процессе исследования на различных дистанциях снимались статические характеристики, и определялось значение чувствительности. На рис. 4 приведены теоретические зависимости чувствительности от дистанции измерения для автоколлимационного (точечная линия) и авторефлексионного (сплошная линия) методов, а также экспериментальная зависимость (штриховая линия).
Дистанция измерения, м
Рис. 4. Зависимость чувствительности от дистанции
Экспериментальная кривая хорошо согласуется с теоретической.
Полученные экспериментально значения средних квадратических погрешностей составили 0,2 от размера элемента ПЗС-матрицы по оси х и 0,25 от размера элемента ПЗС-матрицы по оси у.
Заключение
В данной работе проведен анализ схем оптических схем оптико-электронных систем контроля деформаций крупных промышленных объектов и рассматривается вариант построения оптико-электронной авторефлексионной системы со специальным контрольным элементом для измерения линейных смещений. Найдено, что основной составляющей погрешности является погрешность определения координат центра изображения методом взвешенного суммирования. Теоретическая величина этой погрешности в условиях оптимальной энергетической ситуации составляет величину порядка 0,05 от размера элемента матрицы. По результатам эксперимента был построен график зависимости чувствительности авторефлексионной системы от дистанции
контроля. Полученные экспериментально значения средних квадратических погрешностей составили 0,2 от размера элемента ПЗС-матрицы по оси х и 0,25 от размера элемента ПЗС-матрицы по оси у. Отличие экспериментальных значений от теоретических можно объяснить воздействием внешних факторов (влиянием вибраций и нестабильностью оптико-электронного тракта). Учет этих воздействий и поиск путей уменьшения их влияний является следующим этапом в разработке подобных систем.
