CC BY
27
ВИДЕОИНФОРМАЦИОННЫЙ КОНТРОЛЬ
УДК 681.7.08,681.78 DOI: 10.17586/0021-3454-2018-61-9-771-778
ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ДАТЧИКИ С РЕТРОРЕФЛЕКТОРАМИ
ДЛЯ КОНТРОЛЯ
ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ТУРБОАГРЕГАТОВ
М. А. Клещенок1, В. В. Коротаев1, И. С. Некрылов1, А. Н. Тимофеев1, Е. А. Сыиева1, А. А. Блохина1,2, Ж. Родригеш3
1 Университет ИТМО, 197101, Санкт-Петербург, Россия
E-mail: mkleshchenok@corp.ifmo.ru 2ООО „Би Питрон", 191014, Санкт-Петербург, Россия 3Национальный институт телекоммуникаций, 37540-000, Санта-Рита-ду-Сапукаи, Бразилия
Рассмотрены пути совершенствования оптико-электронных датчиков контроля пространственного положения элементов турбоагрегатов. Предложена схема датчиков с двумя ретрорефлекторами. Исследовано влияние характеристик элементов датчика на преобразование измерительной информации. Выявлена взаимосвязь параметров оптической системы с параметрами и алгоритмами работы матричного фотоприемника. Сформирована физическая модель на базе оптико-электронного датчика контроля поперечных смещений. Приведены результаты экспериментальных исследований, подтверждающие соответствие полученных характеристик датчиков требуемым для цеховых условий применения.
Ключевые слова: оптико-электронный датчик, авторефлексионная схема, контроль соосности, триппель-призма, матричный фотоприемник
Введение. Повышение эффективности эксплуатации объектов энергетики связано с необходимостью полипараметрического контроля энергетических установок при их создании и эксплуатации [1—3]. Такой комплексный контроль осуществляется с помощью различных датчиков, обеспечивающих получение информации об объекте контроля [4, 5].
Среди множества параметров энергетических установок имеется ряд параметров, которые контролируются оптико-электронными датчиками линейных и угловых перемещений элементов. Эти датчики обеспечивают взаимное расположение элементов конструкции, соосность корпусов энергетической установки при ее монтаже, контроль деформаций фундаментов в процессе эксплуатации установок и другие параметры [6, 7]. Геометрия указанных установок и промышленных сооружений, в которых они эксплуатируются, обусловливает сложный характер самих датчиков и системы связей, обеспечивающей обмен информацией и ее обработку [8].
В настоящей статье рассматриваются пути совершенствования оптико-электронных датчиков контроля пространственного положения (смещения) элементов турбоагрегатов (ОЭДКС), входящих в состав системы комплексного контроля параметров указанных объектов, и обосновывается выбор параметров датчиков.
Принципиальные особенности построения схем ОЭДКС. К ОЭДКС предъявляется ряд требований, основные из которых — возможность автономной работы и независимость от расстояния (дистанции) между измерительным блоком и контрольным элементом (КЭ).
Необходимо строить систему так, чтобы, во-первых, минимизировать энергопотребление с сохранением точностных характеристик, и, во-вторых, обеспечить инвариантность к изменению дистанции измерений [8].
Для обеспечения инвариантных преобразований измерительной информации при изменениях дистанции (обеспечения постоянной чувствительности) необходимо исключать погрешность фокусировки объектива и производить программную коррекцию дистанции путем использования датчика с несколькими КЭ, построение которого основано на внешнебазовом способе измерения дистанции.
Одним из решений для обеспечения инвариантности является установка тест-объекта перед оптической системой измерительного блока (рис. 1, а); тест-объект представляет собой пару полупроводниковых излучающих диодов (ПИД), отстоящих друг от друга на некоторое расстояние В, называемое базовым отрезком [8]. Контрольный элемент выполняется в виде триппель-призмы, возвращающей излучение от тест-объекта в оптическую систему измерительного блока. В результате на матричном фотоприемнике (МФП) формируется изображение тест-объекта, координаты которого служат основой для определения пространственного положения КЭ. Рассмотрим вариант, когда базовый отрезок В задан на контрольном элементе, который выполнен в виде двух триппель-призм (рис. 1, б) [9]. В этом случае за счет изменения геометрии хода лучей в оптической системе длина проекции базового отрезка на МФП удваивается. Поэтому исследуемая схема ОЭДКС [10, 11] должна обладать более высокой точностью, чем вышеприведенная (см. рис. 1, а) [8].
Изображение
Тест-объект тест-объекта
а)
- У
В'
В
б)
Изображение тест-объекта
У'
2В'
/
ПИД 1
В 1 1 4 1
2 1 1
А м- -г 22 \
2В
Рис. 1
Математическое описание преобразования информации. Рассмотрим схему построения внешнебазового авторефлексионного оптико-электронного датчика контроля соосности, где 1 — измерительный блок, 2 — матричный фотоприемник, 3 — объектив, 4 — полупроводниковый излучающий диод, 5 — триппель-призмы (рис. 2). В представленной схеме КЭ располагается таким образом, что каждая из триппель-призм 5 смещена относительно визирной линии на расстояние половины базы В. На МФП в этом случае формируются два изображения ПИД. За центр КЭ предлагается принять координаты (хКЭ, уКЭ) середины базового отрезка В в пространстве предметов:
хкэ -
х1 + х2 2
Укэ =
у1 + у2 2
(1)
Изображения ПИД на МФП после отражения оптического излучения от триппель-призм 5 будем рассматривать как изображения точечного источника [12]. Координаты (ху '1) и (х '2, у '2) центров изображений ПИД (рис. 3) сопряжены с координатами (х1, у1) и (х2, у2). Тогда координаты КЭ в пространстве предметов можно выразить как
(х{ + х2)■ (2//'- 1/2) ; _(у1 + у2)• (2/Г'-1/2)
хкэ _'
Укэ _-
(2)
2 2 где 2 — расстояние от КЭ до объектива измерительного блока, Г — заднее фокусное расстояние объектива.
В'
X 2
X 1
X
В В у
•
1 [ В'х _Рх
Рис. 2
Рис. 3
Аналогично длину базового отрезка В можно выразить через величину В' в пространстве изображений:
В _ В' (2 / /' -1/2), (3)
при этом В ' можно, в свою очередь, выразить через координаты центра КЭ согласно формулам (2):
В' _у1 (X - х2)2 + (у -у2)2 . (4)
Подставив выражение (4) в (3), получим
В
(2//'-1/2) _ . 2 2 . (5)
д/(х - х2)2+(у -у2)2
Базовый отрезок В измеряется непосредственно на КЭ, следовательно, величину (2//—1/2) можно определить в процессе обработки сигнала без введения дополнительного оптико-электронного канала измерения дистанции до КЭ.
Координаты изображений ПИД на МФП можно выразить через линейный размер пиксела:
х1 _ Рхп1 и у _ Рутъ (6)
х2 _ Рхп2 и У2 _ Рym2, (7)
где рх и ру — горизонтальный и вертикальный размеры фоточувствительной площадки пиксела МФП; щ, — горизонтальные и вертикальные размеры пикселов МФП соответственно.
Как следует из рис. 3, изображения ПИД располагаются практически на диагонали МФП, что соответствует диагональному расположению триппель-призм в КЭ (см. рис. 2). Это необходимо для обеспечения одинакового диапазона контролируемых смещений КЭ в вертикальном и горизонтальном направлениях [9]. За счет поворота КЭ вокруг оси 2 можно добиться разного диапазона контролируемых смещений.
В соответствии с формулами (6) и (7) выражение (5) можно представить как
В
(2 / Г -1/2) _
^Р2х(п1 - п2)2 + РУ(Ш1 - ш2)2
у
подставив которое в уравнения (1), получим соотношения, связывающие координаты КЭ с координатами изображений ПИД на МФП вне зависимости от расстояния г:
В(Щ + п2)_;
х = ■
2(Щ - n2>
1 + M2
У = •
i
B(m1 + m2)
m.1 - m2
щ - n
2 J
2(m1 - m2>
(9)
(10)
1 + -
M2
П1 - щ
m1 - m
2 J
где М = ру/рх — коэффициент линейного искажения.
Погрешность определения координат изображений ПИД существенно зависит от линейного размера пиксела [13], поэтому коэффициент М практически обусловливает погрешности системы, вызванные смещением КЭ в вертикальном и горизонтальном направлениях. При необходимости коэффициент М может быть использован для получения разных значений погрешности системы по направлениям смещения КЭ.
Экспериментальные исследования. Для проведения экспериментальных исследований была сформирована физическая модель внешнебазового авторефлексионного ОЭДКС (рис. 4), в состав которой входят: измерительный блок (ИБ), содержащий видеокамеру фирмы EVS с матричным фотоприемником OmniVision 5620 в связке с оптической системой (/ = 200 мм) и полупроводниковый излучающий диод VSLB3948 фирмы Vishay; контрольный элемент, установленный на линейной двухкоординатной подвижной платформе; блок питания; устройства ввода и вывода информации; блок обработки (персональный компьютер — ПК).
Измерительный блок
Блок питания
■Ml
Рис. 4
Расстояние между измерительным блоком и контрольным элементом изменяется от 1,5 до 10 м. Управление яркостью ПИД, количеством измерений, параметрами видеокамеры и фокусировкой оптической системы на КЭ осуществляется посредством специального виртуального прибора, созданного в программной среде Lab View. Обработка результатов измерений производится автоматизированно на ПК с помощью программы, написанной на языке Python, и в соответствии с рекомендациями и методиками, изложенными в работе [14].
На первом этапе эксперимента исследовалась зависимость среднего квадратического отклонения а (СКО) определения координат энергетических центров (ЭЦ) изображений ПИД на МФП от яркости источника излучения. Для этого определение координат ЭЦ изображений ПИД производилось при изменении силы тока I, подаваемого к ПИД, в диапазоне от 20 до 120 мА с шагом 20 мА. Поиск энергетического центра осуществлялся по методу взвешенного суммирования, являющегося оптимальным как по точности, так и по производительности по сравнению с геометрическими алгоритмами, аппроксимацией функцией Гаусса и алгоритмами, основанными на обучении [15]. В результате при I = 120 мА было получено наименьшее значение а (рис. 5) и соответственно наибольшее значение отношения сигнал/шум.
ст, пкс Г^Т"
0,06
0,04
0,02
0 -
20 40 60 80 100 120 I, мА Рис. 5
При дальнейшем увеличении силы тока МФП формирует максимальный сигнал по всей площади изображения, в результате чего достоверное определение координат ЭЦ становится невозможным [14, 16]. Как следует из рис. 5, значение а по оси ОУ выше, чем по оси ОХ. Такая расходимость может объясняться влиянием вертикального градиента температуры воздушного тракта, флуктуациями яркости ПИД и вибрациями физической модели [16, 17].
На втором этапе эксперимента по методике, изложенной в работе [13], проводилось исследование статической характеристики ОЭДКС, позволяющей оценить систематическую составляющую погрешности контроля смещений КЭ и значение основной погрешности. Соответствующие кривые, описывающие зависимость погрешностей 5Х и 5У определения координат КЭ от его смещения, представлены на рис. 6, а, б. а)
5Х, мм 0,06 0,04 0,02 0
0
б)
5 У, мм
0,05
0
0,1 2,1 4,1 6,1 8,1 У, мм
Рис. 6
В ходе измерений и последующей обработки результатов были определены максимальное значение основной составляющей погрешности контроля смещений КЭ: по оси X — 0,052 мм, по оси У — 0,073 мм; максимальное значение вариаций показаний: по оси X — 0,016 мм, по оси У — 0,023 мм; максимальное значение СКО случайной составляющей основной погрешности; по оси X — 0,0320 мм, по оси У — 0,0460 мм.
20 40 60 80 100 120 I, Рис. 5
Обсуждение результатов и заключение. В ходе работы достигнуты следующие научно-технические результаты:
— предложена схема ОЭДКС с двумя ретрорефлекторами, выполненными в виде двух триппель-призм;
— исследован алгоритм преобразования информации в системе на основе ОЭДКС, построенной по внешнебазовой авторефлексионной схеме; предложный алгоритм обеспечивает инвариантность результатов контроля к изменению дистанции измерений.
Проведенные экспериментальные исследования на сформированной физической модели ОЭДКС показали ее более высокую точность по сравнению с системой на основе тест-объектов в виде двух источников излучения [8].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Aujla G. S. et al. Data offloading in 5G-enabled software-defined vehicular networks: a stackelberg-game-based approach // IEEE Communications Magazine. 2017. Vol. 55, N 8. P. 100—108.
2. Pena E. H. M. et al. Anomaly detection using the correlational paraconsistent machine with digital signatures of network segment // Inform. Sciences. 2017. Vol. 420. P. 313—328.
3. Akyildiz I. F., Su W., Sankarasubramaniam Y., Cayirci E. Wireless sensor networks: A survey // Computer Networks. 2002. N 38. P. 393—422.
4. Maia J. E. B., Brayner A., Rodrigues F. A framework for processing complex queries in wireless sensor networks // SIGAPP Applied Computing Rev. 2013. N 13. P. 30—41.
5. Ren Q., Liang Q. Energy and quality aware query processing in wireless sensor database systems // Inform. Sciences. 2007. N 177. P. 2188—2205.
6. Konyakhin I. A., Turgalieva T. V. Three-coordinate digital autocollimator // J. of Optical Technology. 2013. Vol. 80, N 12. P. 772—777.
7. Pantyushin A. V., Serikova M. G., Timofeev A. N. Optoelectronic system for monitoring displacements, based on LED fiducial marks // J. of Optical Technology. 2009. Vol. 76. N 8. P. 507—510.
8. Anisimov A. G. et al. Design and test of optoelectronic system of alignment control based on CCD camera // Proc. of the 5th Intern. Symp. on Instrumentation Science and Technology. 2009. Vol. 7133. P. 71333S.
9. Пат. 25677350 РФ, МПК G 01 B 11/00, G01S5/00. Устройство измерения линейного смещения объекта /
В. В. Коротаев, А. Н. Тимофеев, М. А. Клещенок, М. А. Шаврыгина. Опубл. 10.11.2015. Бюл. № 31.
10. Клещенок М. А., Тимофеев А. Н. Разработка оптико-электронной системы контроля соосности с дуплексным отражателем // Сб. тр. X Междунар. конф. „Прикладная оптика-2012". 2012. Т. 1. С. 81—84.
11. Kleshchenok M. A. et al. Alignment control optical-electronic system with duplex retroreflectors // Proc. SPIE. Optical Modelling and Design, III. 2014. Vol. 9131. P. 91311X.
12. Anisimov A. G., Timofeev A. N., Korotaev V. V. Choice of the reflector for the autocollimating alignment telescope // Proc. SPIE. 2011. Vol. 8082. P. 80823E.
13. Schöberl M., Brückner A., Foessel S., Kaup A. Photometric limits for digital camera systems // J. of Electronic Imaging. 2012. Vol. 21, N 2. DOI:10.1117/1.JEI.21.2.020501.
14. Зверева Е. Н., Лебедько Е. Г. Типовые расчеты по статистическим методам обработки результатов измерений в оптотехнике. СПб: НИУ ИТМО, 2016. 110 с.
15. Андреев А. Л., Коротаев В. В., Пашковский Д. М. Селекция изображений малоразмерных целей на неоднородном фоне в услоаиях помех // Изв. вузов. Приборостроение. 2013. Т. 56, № 10. С. 88—93.
16. Maraev A. A., Timofeev A. N. Energetic sensitivity of optical-electronic systems based on polychromatic optical equisignal zone // Proc. SPIE. 2013. Vol. 8788. P. 878836.
17. Anisimov A. G., Tsyganok E. A., Konyakhin I. A. Study of the influence of the tetrahedral reflectors properties on autocollimating systems characteristics // Proc. SPIE. 2010. Vol. 7786. P. 77860V.
Максим Андреевич Клещенок Валерий Викторович Коротаев
Иван Сергеевич Некрылов Александр Николаевич Тимофеев
Елена Александровна Сычева Анастасия Александровна Блохина
Жоэл Родригеш
Сведения об авторах
аспирант; Университет ИТМО; кафедра оптико-электронных приборов и систем; E-mail: mkleshchenok@corp.ifmo.ru д-р техн. наук, профессор; Университет ИТМО; кафедра оптико-электронных приборов и систем; заведующий кафедрой; E-mail: korotaev@grv.ifmo.ru
аспирант; Университет ИТМО; кафедра оптико-электронных приборов и систем; E-mail: ivan.s.nekrylov@outlook.com канд. техн. наук, Университет ИТМО; кафедра оптико-электронных приборов и систем; ст. научный сотрудник; E-mail: timofeev@corp.ifmo.ru
аспирант; Университет ИТМО; кафедра оптико-электронных приборов и систем; E-mail: easycheva@corp.ifmo.ru студентка; Университет ИТМО; кафедра оптико-электронных приборов и систем; ООО „Би Питрон", серийное конструкторское бюро; техник; E-mail: aablokhina@corp.ifmo.ru
канд. техн. наук, профессор; Национальный институт телекоммуникаций - Инател, Бразилия; E-mail: joeljr@ieee.org
Поступила в редакцию 20.08.18 г.
Ссылка для цитирования: Клещенок М. А., Коротаев В. В., Некрылов И. С., Тимофеев А. Н., Сычева Е. А., Блохина А. А., Родригеш Ж. Оптико-электронные датчики с ретрорефлекторами для контроля пространственного положения элементов турбоагрегатов // Изв. вузов. Приборостроение. 2018. Т. 61, № 9. С. 771—778.
OPTICAL-ELECTRONIC SENSORS WITH RETROREFLECTORS FOR CONTROL OF SPATIAL POSITION OF TURBINE ELEMENTS
M. A. Kleshchenok1, V. V. Korotaev1, I. S. Nekrylov1, A. N. Timofeev1, Е. А. Сычева1, A. A. Blokhina1,2, J. J. P. C. Rodrigues3
1 ITMO University, 197101, St. Petersburg, Russia E-mail: mkleshchenok@corp.ifmo.ru 2Bee Pitron SP, Ltd., 191014, St. Petersburg, Russia 3National Institute of Telecommunications, 37540-000, Santa Rita do Sapucai, Brazil
The way to improve optical-electronic sensors used for monitoring spatial position of elements of turbine units are considered. A scheme of sensor with two retroreflectors is proposed. The influence of sensor elements characteristics on the transformation of measuring data is analyzed. A correlation of the optical system characteristics with parameters and algorithms of the matrix photodetector is revealed. A physical model is developed based on optical-electronic sensor for monitoring object displacements was formed. Presented results of experimental studies confirm the formulated requirements for characteristics of sensors operating under workshop conditions.
Keywords: optical-electronic sensor, auto-reflection scheme, alignment control, triple prism, matrix photodetector
REFERENCES
1. Aujla G.S. et al. IEEE Communications Magazine, 2017, no. 8(55), pp. 100-108.
2. Pena E.H.M. et al. Information Sciences, 2017, no. 420, pp. 313-328.
3. Akyildiz I.F., Su W., Sankarasubramaniam Y., Cayirci E. Comput. Netw., 2002, no. 38, pp. 393-422.
4. Maia J.E.B., Brayner A., Rodrigues F. SIGAPP Appl. Comput. Rev., 2013, no. 13, pp. 30-41.
5. Ren Q., Liang Q. Inf. Sci., 2007, no. 177, pp. 2188-2205.
6. Konyakhin I.A., Turgalieva T.V. Journal of Optical Technology, 2013, no. 12(80), pp. 772-777. (in Russ.)
7. Pantyushin A.V., Serikova M.G., Timofeev A.N. Journal of Optical Technology, 2009, no. 8(76), pp. 507-510 (in Russ.)
8. Anisimov A.G. et al. Fifth International Symposium on Instrumentation Science and Technology. International Society for Optics and Photonics, 2009, no. 7133, pp. 71333S.
9. Patent 25677350RU, G 01 B 11/00, G01S5/00, Ustroystvo izmereniya lineynogo smeshcheniya ob"yekta (Device of Measurement of Linear Shift of an Object), Korotaev V.V., Timofeev A.N., Kleshchenok M.A., Shavrygina M.A. Published 10.11.2015, Bulletin 31. (in Russ.)
10. Kleshchenok M.A., Timofeev A.N. Sbornik trudov X Mezhdunarodnoy konferentsii „Prikladnaya optika-2012' (Proceedings of the X International Conference "Applied optics-2012"), 2012, no. 1, pp. 81-84. (in Russ.)
11. Kleshchenok M.A. et al. Optical Modelling and Design III. - International Society for Optics and Photonics, 2014, no. 9131, pp. 91311X.
12. Anisimov A.G., Timofeev A.N., Korotaev V.V. Proc. SPIE, 2011, no. 8082, pp. 80823E.
13. Schöberl M., Brückner A., Foessel S., Kaup A. J. Electron. Imaging., 2001, no. 2(21), pp. 020501-1020501-3. D0I:10.1117/1.JEI.21.2.020501.
14. Zvereva E.N., Lebed'ko E.G. Tipovyye raschety po statisticheskim metodam obrabotki rezul'tatov izmereniy v optotekhnike (Standard Calculations for Statistical Methods of Processing of Results of Measurements in an Optics Engineering), St. Petersburg, 2016, 110 p. (in Russ.)
15. Andreev A.L., Korotaev V.V., Paszkowski D.M. Journal of Instrument Engineering, 2013, no. 10(56), pp. 88-93. (in Russ.)
16. Maraev A.A., Timofeev A.N. Proc. SPIE, 2013, no. 8788, pp. 878836.
17. Anisimov A.G., Tsyganok E.A., Konyakhin I.A. Proc. SPIE, 2010, no. 7786, pp. 77860V.
Data on authors
— Post-Graduate Student; ITMO University, Department of Optical-Electronic Devices and Systems; E-mail: mkleshchenok@corp.ifmo.ru
— Dr. Sci., Professor; ITMO University, Department of Optical-Electronic Devices and Systems; Head of the Department; E-mail: korotaev@grv.ifmo.ru
— Post-Graduate Student; ITMO University, Department of Optical-Electronic Devices and Systems; E-mail: ivan.s.nekrylov@outlook.com
— PhD, Senior Scientist; ITMO University, Department of Optical-Electronic Devices and Systems; E-mail: timofeev@corp.ifmo.ru
— Post-Graduate Student; ITMO University, Department of Optical-Electronic Devices and Systems; E-mail: easycheva@corp.ifmo.ru
— Student; ITMO University, Department of Optical-Electronic Devices and Systems; Bee Pitron SP, Ltd., Design Office of Serial Production; E-mail: aablokhina@corp.ifmo.ru
— PhD, Professor; National Institute of Telecommunications, Inatel, Brazil; E-mail: joeljr@ieee.org
Maxim A. Kleshchenok Valery V. Korotaev
Ivan S. Nekrylov Aleksander N. Timofeev Elena A. Sycheva Anastasia A. Blokhina
Joel J. P. C. Rodrigues
For citation: Kleshchenok M. A., Korotaev V. V., Nekrylov I. S., Timofeev A. N., Sycheva E. A., Blokhina A. A., Rodrigues J. Optical-electronic sensors with retroreflectors for control of spatial position of turbine elements. Journal of Instrument Engineering. 2018. Vol. 61, N 9. P. 771—778 (in Russian).
DOI: 10.17586/0021-3454-2018-61-9-771-778
