Расчет параметров оборудования для скоростной видеосъемки ударного воздействия модели на грунт Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 681.7.001

A. В. ГРУЗИН

B. В. ГРУЗИН М. В. КУЧЕРЕНКО

Омский государственный технический университет

Национальный университет обороны, г. Щучинск, Республика Казахстан

РАСЧЕТ

ПАРАМЕТРОВ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ СКОРОСТНОЙ ВИДЕОСЪЕМКИ УДАРНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ МОДЕЛИ НА ГРУНТ_

В представленной статье рассматривается методика расчета параметров оборудования для скоростной видеосъемки ударного воздействия модели на грунт. Ключевые слова: расчет параметров, скоростная видеосъемка, ударное воздействие, грунт.

Для экспериментального изучения процессов взаимодействия модели штампа с грунтом предлагается установить следующие требования [1,2]:

— визуализация движения модели в грунте и перемещения частиц самого грунта под нагрузкой;

— обеспечение бесконтактной регистрации движения модели в грунте, деформации грунта и необходимого контроля над всей динамикой исследуемого процесса;

— обеспечение регистрирования всей динамики процесса с дискретностью между отснятыми кадрами на порядок меньше его длительности протекания с достаточным освещением объектов съёмки;

— обеспечение соответствующей величины глубины резкости изображаемого пространства;

— уменьшение трудоемкости выполнения экспериментальных исследований, снижение материальных затрат и сроков их проведения.

Для обеспечения выполнения принятых положений кроме конструктивных параметров стенда (рис. 1) и габаритов модели необходимо определить условия видеосъёмки. К основным условиям видеосъёмки следует отнести следующие параметры: частота съёмки, число отснятых кадров, расстояние от видеокамеры до объекта съёмки, освещённость объектов съёмки. Исходными данными для определения технических характеристик используемого оборудования являются вид грунта, массогабаритные характеристики модели и скорость ударного воздействия.

Определение параметров скоростной видеосъемки

Для регистрации быстропротекающих и кратковременных процессов с целью их исследования применяется скоростная фото-, кино- и видеосъёмка [3,4]. В литературе [5 — 8] приведены данные по времени внедрения в грунт плоского штампа в зависимости от величины его удельного импульса. Например, для суглинков различной консистенции, по данным проф.

Рис. 1. Специализированный измерительно-обрабатывающий комплекс

Н. Я. Хархуты, этот диапазон составляет 1СН- 95 мс [5]. Так как в научной литературе отсутствуют однозначные рекомендации по необходимому количеству кадров для качественной и количественной оценки ударного воздействия модели на грунт, то было принято решение об использовании скоростной видеосъёмки, обеспечивающей регистрирование всей динамики процесса с дискретностью между отснятыми кадрами на порядок меньше длительности его протекания. То есть для регистрации движения модели в грунте необходимо обеспечить скоростную видеосъёмку не менее десяти кадров с временной дискретностью 0,001 с [9]. Таким образом, с учётом вышесказанного частота съёмки должна достигать 1000 кадр/с. Данным требованиям соответствует ско-

Таблица 1

Режимы съёмки камеры ТМС-674(ЮЕ

Режим Размер кадра (ширинахвысота), пиксел Частота съёмки, кадр/с

А 640x480 200

В 640x160 540

С 224x480 500

Б 224x160 1250

ростная видеокамера ТМС-6740СЕ с максимальной частотой съёмки 1250 кадр/с. Режимы полнокадровой и неполнокадровой съёмки камеры ТМС-6740СЕ с различными частотами съёмки приведены в табл. 1.

Расчёт параметров объектива видеокамеры

Основные характеристики фото-, кино- и видеообъективов, влияющие на их выбор, можно подразделить на следующие три основные группы [3]:

— конструктивные (оптические и механические) характеристики (переднее фокусное расстояние /, диаметр входного зрачка Д угловое поле в пространстве предметов 2сои др.);

— фотометрические характеристики (коэффициент пропускания т0 и др.);

— характеристики качества изображения (угловая разрешающая способность \|/ и др.).

Основной задачей расчёта параметров объектива скоростной видеокамеры является обеспечение условий съёмки с целью получения качественного изображения объекта пространственной формы с заданным линейным разрешением. Таким образом, величина допустимого диаметра кружка нерезкости с1дол определяется требованиями точности определения линейных размеров объекта наблюдения с/ :

с* й<й

доп гг,

(1)

Расстояния до передней границы РИП р опреде-

ляют по формуле:

Рпер юг+(рнав~г)(1доп вг+р1ШЯа(]

£>ГрИ,

(4)

Таким образом, подставляя формулы (3) и (4) в уравнение (2), глубину РИП можно определить с помощью следующей приближённой формулы:

Лр = Рзаа ~ Рпер =

В Г

(5)

Поскольку регистрацию ударного воздействия модели на грунт предполагается производить с расстояния, исключающего повреждение объектива и видеокамеры частицами грунта и обеспечивающего минимальное вибрационное воздействие удара на процесс съёмки, то с достаточной степенью точности можно принять следующее условие:

(6)

где 1набл — расстояние наблюдения от передней поверхности объектива видеокамеры до объекта съёмки, м.

С учётом вышесказанного глубина РИП равна:

Поскольку объектом съёмки является пространственная модель, имеющая линейные ортогональные размеры съёмки, то для гарантированной регистрации движения всех точек объекта съёмки необходимо обеспечить в процессе экспериментальных исследований выполнение условия (1). Соблюдение этого требования должна обеспечить соответствующая величина глубины резко изображаемого пространства (РИП). Глубиной резко изображаемого пространства (РИП) Ар называется расстояние вдоль оптической оси съёмочного объектива, в пределах которого расположенные объекты изображаются на светочувствительном элементе с достаточной степенью резкости [10]:

АР=Р.ад-Р

пер'

(2)

где рзад — расстояния до задней границы РИП, м; рп( расстояния до передней границы РИП, м.

Расстояния до задней границы РИП рза опреде-

ляют по формуле:

ЭГрн

ОГрИ]

Ы'-(рИ<а-Г К

(3)

Ар = 2

^набл ^доп

вг

(7)

Как правило, все объективы снабжены диафрагмой — устройством для регулировки относительного отверстия, которое позволяет изменять количество проходящего через объектив света, а также устанавливать необходимую глубину резкости, то есть регулировать глубину РИП. Поэтому с учётом равенства [11]

Кг " /' '

(8)

где Кг — диафрагменное число, уравнение (7) будет иметь следующий вид:

/2 • г1 •К

д _ 2 набл доп ' п /

Г2

(9)

Таким образом, максимальное расстояние наблюдения 1тбл можно рассчитать по формуле:

1тах _ 1набл ~

где В — диаметр входного зрачка объектива, м; / — заднее фокусное расстояние, м; рнав— расстояние от плоскости входного зрачка до плоскости наводки, м.

А р-Г1 2Лоя Кг

(Ю)

Линейные размеры поля наблюдения I, в котором находится исследуемый объект, определяются вели-

чиной углового поля объектива в пространстве предметов 2со с помощью следующей формулы [11]:

¿=21набл^ди.

(11)

Определим максимальное значение диафрагмен-ного числа Кг, которое бы обеспечивало заданные линейные размеры поля наблюдения I. Для этого совместно решим уравнения (10) и (11) относительно диафрагменного числа Кг:

Кг =

2 Aptg2af': Ь2йтп

(12)

Так как в экспериментальных исследованиях используется песок средней крупности со средним размером частиц 0,38 мм, то регистрацию перемещения частиц грунта под действием внешней силы планируется выполнять с точностью до йт=д-доп= = 0,1 мм. Примем глубину РИП равной диаметру основания конической модели — Ар=45мм. На основании вышеизложенных положений в качестве объектива предлагается использовать ЫауНаг 00-5095, который имеет следующие основные характеристики:

— фокусное расстояние /'=45мм;

— диафрагменное число К =0,95 — 16;

— угловое поле в пространстве предметов 2<х>7Н*У;=14о36,*11°00'.

Минимальное значение диафрагменного числа соответствует полностью открытой диафрагме, максимальное значение — полностью закрытой диафрагме. Рассчитаем максимальное расстояние наблюдения для крайних значений диафрагменного числа:

СЖ = 0,95) =

Ар-Г2 2Лол 'К

45 • 50 2 0,1 0,95

= 770мм = 0,77м ,

(13)

Ар-Г2

2Чоп К

45-50 2-0,1-16

; 190мм = 0Д9м .

(14)

К"

2Ар£д2соГ2 _ 2-45-£д25°30'• 502

652-ОД

^ 4,9.

Расчёт освещения объектов съёмки

Для проведения экспериментальных исследований может возникнуть необходимость в дополнительном освещении объектов съёмки. Исходными данными для расчёта освещения являются чувствительность сенсора видеокамеры Ес, коэффициент отражения снимаемых объектов рм, коэффициент пропускания объектива т0, электрическая мощность Ии и световая отдача источника освещения 5.

Для обеспечения нормальных условий работы скоростной видеокамеры необходимо обеспечить освещённость Е её сенсора не меньше пороговой величины Ес, указанной в паспорте:

(18)

Освещённость Е сенсора видеокамеры можно определить по формуле [12]:

Е = Рм т0

^/СОБСС

(19)

где J — сила света источника, кд; а — угол, образованный нормалью к плоскости освещения с направлением на источник, град; г — расстояние от источника до сенсора вдоль оптической оси видеокамеры, м.

Силу света источника J рассчитывают по формуле:

Ф„

3 = -

471

(20)

где Фи — световой поток, создаваемый источником освещения, лм.

Значения светового потока для различных источников приводят в их паспортах. При отсутствии паспортных данных на данный источник, его световой поток можно определить по таблице [13], умножая значение световой отдачи 8 на величину электрической мощности Ыи источника излучения:

Ф =уЛГ.

и 1 и

(21)

В свою очередь, расстояние г от источника до сенсора видеокамеры вдоль её оптической оси равно:

О — / 1

^ набл осв'

(22)

Определим линейные размеры поля наблюдения в горизонтальной Нги вертикальной плоскостях Угдля крайних значений диафрагменного числа:

дляКг=0,95:

Нг=2^дшн = 2Ю,77-£д7°18'-0,197м Уг=27шб^дсоу=2-0,77^д5°30,-0,148м (15)

для: К =16:

№ = 27на^дмн = 20,77-£д7Ч8'-0,049м Уг=21тбл1ды =2-0,77-£д5°30'-0,037 м (16)

Определим максимальное значение диафрагменного числа Кг объектива в планируемых экспериментах. Поскольку высота конической модели больше диаметра её основания и равна В=Ь=65 мм, а угловое поле в пространстве предметов в вертикальной плоскости меньше, чем в горизонтальной, и равно 2о)(У)= = 11 °00', то максимальное значение диафрагменного числа Кг будет равно:

гАе К

■ расстояние от источника света до освеща-

емого объекта, м.

С учётом выражений (20) — (22) уравнение (19) будет иметь следующий вид:

Зсоьа Ф„ собсс

Е = Рм*о-— = РмТо

■■ Рм

^{1набл+10СВУ

уАГи соя а

набл. + 1 осв.)2

(23)

Таким образом, для заданных расстояния наблюдения 1тбл и параметров выбранной скоростной видеокамеры можно рассчитать максимальное расстояние от имеющегося источника света до освещаемого объекта по формуле:

Рм

уА^сова 4пЕг

(24)

(17)

В качестве объектов съёмки предполагается использовать не только модели рабочих органов, изготовленные из стали и имеющие высокий коэффи-

циент отражения, но и движение самих частиц грунта под действием нагрузки, передаваемой данными моделями. Поскольку в планируемых экспериментальных исследованиях предполагается использовать песчаный грунт, то в качестве коэффициента отражения рд( принимаем его значение для песка.

Дисперсность песка оказывает существенное влияние на его коэффициент отражения, который увеличивается от 0,4 до 0,8 с уменьшением размера частиц [ 14]. Для песка средней крупности принимаем рл(=0,4. Данные о коэффициентах пропускания т0 конкретных моделей объективов обычно не публикуются. Для практических расчетов, в случае стандартного объектива, значение коэффициента пропускания можно принять равным т0=0,785 [15]. В качестве источника света используем лампу накаливания Б220-230-100 ГОСТ Р МЭК 60064-99 мощностью = 100 Вт и световой отдачей у=13,8 лм/Вт. Для удобства работы и с целью предотвращения прямой засветки видеокамеры отражённым от светопрозрачного экрана светом источник освещения разместим под углом 45° к месту наблюдения — а = 45°. Согласно паспортным данным, чувствительность сенсора видеокамеры ТМС-6740 СЕ равна £ =1,4 лк [16]. Таким образом, максимальное расстояние от имеющегося источника света до освещаемого объекта равно при полностью открытой диафрагме объектива:

= I yNucosa

оса. л г м о at-" набл.

V 4ТГ£с

f 13,8-100-cos45°

= 0,4-0,785—:--0,77 = 3,4 м. (25)

V 471-1,4

Выполненные расчеты легли в основу проектирования элементов конструкции специализированного измерительного комплекса, разрабатываемого для проведения экспериментальных исследований с помощью высокоскоростной видеокамеры с обеспечением установленных требований и условий. Разработанный специализированный измерительный комплекс обеспечивает:

— возможность корректного проведения в полном объеме экспериментальных исследований;

— достоверность исследования динамического воздействия, связанного с физическим подобием механизмов и явлений ударного процесса погружения моделей в грунт.

Библиографический список

1. Грузин, А. В. Грунтовые среды в условиях статического и динамического нагружения: монография / А. В. Грузин, В. В. Грузин, Э. А. Абраменков. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2009. - 140 с.

2. Абраменков, Э. А. Особенности применения специализированного оборудования при проведении лабораторных исследований ударного погружения модели в грунт / Э. А. Абраменков, А. В. Грузин, В. В. Грузин // Актуальные проблемы современ-

ности : международный научный журнал. — Караганда : Бола-шак-Баспа, 2008. - № 10 (27). - С. 4- 12.

3. Кулагин, С. В. Проектирование фото- и киноприборов. / С. В. Кулагин, Е.М.Апарин. — М.: Машиностроение, 1986. — 280 с.

4. Грузин, А. В. Скоростная съёмка ударного взаимодействия штампа с грунтовой средой и обработка полученных результатов / А. В. Грузин, Э. А. Абраменков, В. В. Грузин // Изв. вузов. Строительство. - 2009. - №2. - С. 108-114.

5. Хархута, Н. Я. Машины для уплотнения грунтов. Теория, расчёт и конструкции / Н. Я. Хархута. — М.: Машиностроение, 1973. - 358 с.

6. Тарасов, В. Н. Теория удара в теоретической механике и её приложение в строительстве / В. Н. Тарасов, Г. Н. Бояркин. — Омск : Изд-во ОмГТУ, 2001.- 144 с.

7. Грузин, А. В. О модели динамической деформации грунтовой среды в виде упругопластического полупространства / Актуальные проблемы современности : междунар. сб. науч. тр. — Караганда : Изд-во Болашак, 2004. — Вып. 2. — С. 153.

8. Абраменков, Э. А. Уплотнение упругопластического полупространства при однократном ударном приложении нагрузки / Э. А. Абраменков, В. В. Грузин, А. В. Грузин // Тезисы докладов бЗ-йНауч.-техн.конф. — Новосибирск :НГАСУ (Сибстрин), 2006. — С. 173-174.

9. Инженерные методы исследования ударных процессов / Г. С. Батуев [и др.]. — М. : Машиностроение, 1969. — 251 с.

10. Оптико-механические приборы / С. В. Кулагин [и др.]. — М. : Машиностроение, 1984. — 352 с.

11. Вычислительная оптика : справочник / М. М. Русинов [и др.] //Подобщ. ред. М. М. Русинова. — Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1984 — 423 е., ил.

12. Оптика: учеб. пособие для вузов / Под ред. Н. И. Калите-евского. — М. : Высш. шк„ 1986. — 512 с., ил.

13. Сайт «Википедия — свободная энциклопедия». — URL : http://ru.wikipedia.org/ (дата обращения : 01.10.2010).

14. Сайт «Вестник Кыргызско-Российского Славянского университета». — URL: http://www.krsu.edu.kg/vestnik/2002/v4/ al0.html (дата обращения: 01.10.2010).

15. СайтНТЦ «Прогресс». — URL: http://sio.su/down_asec_ 13_def .aspx (дата обращения: 01.10.2010).

16. Сайт компании «JAI». — URL : http://www.jai.com/ SiteCollectionDocuments/Camera_Solutions_Manuals/Manual_ TM-6740GE-iPQRT.pdf (дата обращения: 01.10.2010).

ГРУЗИН Андрей Васильевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Транспорт и хранение нефти и газа, стандартизация и сертификация» Омского государственного технического университета. ГРУЗИН Владимир Васильевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Техническое обеспечение» Национального университета обороны, г. Щу-чинск, Республика Казахстан.

КУЧЕРЕНКО Максим Валерьевич, ассистент кафедры «Транспорт и хранение нефти и газа, стандартизация и сертификация» Омского государственного технического университета. Адрес для переписки: e-mail: Polyot-m@mail.ru

Статья поступила в редакцию 28.12.2010 г. © А. В. Грузин, В. В. Грузин, М. В. Кучеренко