CC BY
57
ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ЛИНЕЙНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ОБЪЕКТОВ НА ОСНОВЕ АВТОРЕФЛЕКСИОННОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ
И.А. Коняхин, А.Н. Тимофеев, М.А. Новиков.
Рассмотрены автоколлимационный и авторефлексионный варианты построения оптико-электронной системы измерения малых линейных смещений. Приводятся результаты исследований экспериментального образца системы контроля соосности элементов конструкции турбоагрегатов, реализованного по авторефлексионному варианту.
Для контроля линейных деформаций с целью мониторинга нагруженных конструкций (плотин, фундаментов, опор) или при измерениях линейных смещений в процессе монтажа сложных конструкций (стапелей, турбин, подкрановых путей) используются оптико-электронные измерительные средства автоколлимационного и авторефлексионного типов. Их особенностью является размещение в контрольной точке объекта малогабаритного пассивного отражателя - контрольного элемента (КЭ). Его линейные смещения вследствие деформаций объекта регистрируются автоколлиматором, связанным с некоторой жесткой базой.
Обычно подобные системы используют автоколлимационный метод измерения [1,2], в соответствии с которым (см. рис. 1) объективом 1 автоколлиматора излучающая марка 4 проецируется в плоскость расположения вершины эквивалентного зеркального триэдра (изображение 4а).
4
4а
4Ь
Рис. 1. Схема автоколлимационной системы
В результате отражения от КЭ 3 формируется изображение 4Ъ, в исходном положении совпадающее с 4а (на рисунке излучающий и приемный каналы условно изображены раздельно). С помощью объектива 2 (объектив 1, действующий как приемный) изображение 4Ъ марки проецируется на чувствительную площадку приемника-анализатора 5.
Смещение КЭ 3 на величину X в коллимационной плоскости приведет к смещению изображения 4Ъ на величину 2-Х . Соответственно, изображение 4' марки в плоскости анализатора 5 сместится на величину х. Очевидно, что х = 2-Х (а' / Ь), где а' - расстояние от главной плоскости объектива до плоскости анализа, Ь - рабочая дистанция.
Чувствительность измерительной системы, понимаемая как отношение х/Х, составит
$ак =
2/
ь - /
(1)
График зависимости чувствительности от рабочей дистанции приведен на рис. 3 (обозначен точечной линией).
Известно, что при использовании автоколлимационного метода система имеет высокую чувствительность [1, 3]. Однако при возрастании рабочей дистанции для предотвращения виньетирования соответственно увеличивающегося изображения 4Ь необходимо увеличивать и поперечные размеры КЭ 3, что затрудняет реализацию системы на дистанциях, превышающих 10 метров.
По этой причине предпочтительна реализация авторефлексионного метода измерения, в соответствии с которым излучающая марка 4 располагается непосредственно в выходном зрачке объектива 1 (см. рис. 2). В такой схеме КЭ 3 формирует изображение 4а марки симметрично вершине О1 эквивалентного триэдра. Объективом 2 построенное КЭ 3 изображение 4а марки проецируется на чувствительную площадку приемника-анализатора 5.
1
4
3
4а
4'
4а
5
Рис. 2. Схема авторефлексионной системы
Действие системы аналогично автоколлимационному варианту. Чувствительность системы определяется выражением:
^ = 2Г-7 • <2)
График зависимости чувствительности от рабочей дистанции приведен на рис. 3 (обозначен сплошной линией).
Из сравнения графиков следует, что второй вариант системы имеет меньшую чувствительность. В то же время при использовании авторефлексионного метода в случае малых измеряемых смещений изображение марки не виньетируется при малых габаритах КЭ (порядка размера марки), причем необходимый поперечный размер КЭ практически не зависит от рабочей дистанции.
0.6"
Чувствительность
0 2 4 6 8
Рабочая дистанция, м
10
Рис. 3. Зависимость чувствительности системы от рабочей дистанции
На основе рассмотренной авторефлексионной схемы реализован экспериментальный образец системы контроля соосности элементов конструкции турбоагрегатов.
В отличие от схемы, показанной на рис. 2, марка 1 включает два излучателя, симметрично расположенных относительно оптической оси объектива 1 на расстоянии B = 3 мм друг от друга. В этом случае при изменении рабочей дистанции чувствительность системы может быть определена по измеренному расстоянию b между их изображениями в плоскости анализа как S'ar = b/B без дополнительных калибровочных измерений.
В качестве источников излучения были использованы инфракрасные излучающие диоды типа АЛ17Б, имеющие мощность излучения 10 мВт. Фокусное расстояние объектива автоколлиматора f = 250 мм. Приемник-анализатор представляет собой матрицу ПЗС форматом 500x582 элемента с размерами ячейки (11,17 мкмх 13,88 мкм).
В процессе исследований экспериментального образца снимались статические характеристики на различных рабочих дистанциях, и по ним определялась чувствительность S'ar.
График зависимости экспериментально найденной чувствительности от рабочей дистанции изображен на рис. 3 штриховой линией. Как следует из графиков, экспериментально полученные результаты адекватны теоретическим.
При снятии статической характеристики при каждом значении смещения контрольного элемента выполнялось по 90 измерений с интервалом в 3 с. В результате статистической обработки экспериментальных данных найдено, что средняя квадратическая погрешность измерения смещения изображения марки по горизонтальной и вертикальной осям составляют dx= 0,25 и dy = 0,2 от размера ячейки ПЗС. Эти значения определяют погрешность измерения смещения контрольного элемента в диапазоне от 0.007 мм на рабочей дистанции 0.5 м до 0.06 мм на дистанции 8 м в зависимости от чувствительности измерительной системы.
Следует отметить, что полученные результаты значительно расходятся с теоретическими. При реализации алгоритма взвешенного суммирования в условиях,
когда рабочая экспозиция ячеек ПЗС в области изображения многократного превышает пороговую, погрешность измерения должна составлять не более с1 = 0,05 от величины ячейки. Причина несовпадения теоретической и практической оценок иллюстрируется рис. 4, на котором точками отмечены положения изображений двух излучателей марки, зарегистрированные при 90 измерениях в случае неподвижного КЭ. Анализ показывает, что теоретическая величина с1 определяет пороговую чувствительность системы, в то время как погрешность измерения, пропорциональная величине рассеяния результатов измерения, определяется главным образом нестабильностью параметров оптоэлектронного тракта, влиянием вибраций и другими внешними факторами.
193
Номера
строк
ПЗС
184
Рис. 4. Результаты серии измерений положения изображений излучателей
марки
Подробный анализ воздействия этих факторов, а также поиск способов уменьшения их влияния составит содержание следующего этапа разработки рассматриваемой системы
Литература
1. Джабиев А.Н., Коняхин И. А., Панков Э.Д. Автоколлимационные углоизмерительные средства мониторинга деформаций. СПб: СПбГИТМО, 2000. 197 с.
2. Панков Э. Д., Тимофеев А.Н. Основные направления работ по совершенствованию оптико-электронных приборов и систем для контроля смещений объектов или их элементов // Изв. вузов. Приборостроение. 2000. Т.43, № 1-2. С. 100-103.
3. Коняхин И. А. Развитие оптико-электронных автоколлимационных средств контроля угловых деформаций // Оптический журнал. 2000. Т. 67. №4. С. 52-56.
•
• >
148 153 158
Номера столбцов ПЗС
