CC BY
25
ЛИТЕРАТУРА
1. J. van Deventer Modeling an Ultrasonic Transducer with SPICE // Doctoral thesis. Material investigations and simulation tools towards a design strategy for an ultrasonic densitometer. Paper C. http://epubl.luth.se/14 02-15 4 4/20 01/31/LTU-DT-0131-SE.pdf.
2. L. E. Kinsler, A. R. Frey, A. B. Coppens, J.V. Sanders. Fundamentals of acoustics 3nd Edition // Wiley.- New York.- 1982.
3. D. K. Cheng Field and wave electromagnetics 2nd Edition // Addison-Wesley.- 1989.
4. M. Redwood Transient performance of a piezoelectric transducer // J. Acoustical Soc. Am.-Vol. 33.- №4.-1961.- P. 527-536.
5. R. Krimholtz, D.A. Leedom, and G.L. Matthei New Equivalent circuits for elementary piezoelectric Transducers // Electronic leters.- Vol. 6.- № 13.- June 1970.- P. 398-399.
6. Leach W. M., Jr. Controlled-source analogous circuits and SPICE models for piezoelectric transducers // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Contr. - January 1994. - V. 41. - Р. 60-66.
7. A. Puttmer, P. Hauptmann, R. Lucklum, O. Krause and B. Henning SPICE Model for Lossy Pie-zoceramic Transducers // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control.-Vol. 44.- № 1.- January 1997.- P. 60-66.
УДК 004.932.2
Григорьев А.В., Юрков Н.К., Трусов В.А., Баннов В.Я.
ФГБОУ ВО «Пензенский госуниверситет», Пенза, Россия
СТРУКТУРА МЕТОДИКИ АНАЛИЗА СЛЕДА ВИБРАЦИОННОГО РАЗМЫТИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ КРУГЛОЙ МЕТКИ
Представлена структура методики анализа следа вибрационного размытия изображения круглой метки предварительно откалиб-рованной специальной информационно-измерительной системой. Проведен краткий обзор известных методов измерения вибраций. Выявлены преимущества и недостатки этих методов. Показано, что развиваемый в данной статье метод относится к классу бесконтактных оптических и что, в отличие от известных таких методов, он открывает возможность измерять не только амплитуду, но и направление вибраций и позволяет измерять распределение параметров вибраций по поверхности объекта контроля, то есть одновременно измерять параметры вибраций множества исследуемых точек на поверхности объекта контроля. Показано, что целью методики является измерение модуля и компонент вектора амплитуды вибрационного перемещения исследуемой точки на поверхности объекта контроля. Определены векторы входных и выходных параметров подсистемы, данную методику реализующей. Представлен примерный вид бинарной матрицы следа вибрационного размытия изображения круглой метки. Приведена структурная схема блока анализа следа вибрационного анализа следа вибрационного размытия изображения круглой метки с описанием принципа ее работы.
Ключевые слова:
измерение, вибрация, бесконтактный, вектор, модуль, компонента.
Статья подготовлена в рамках реализации проекта «Разработка методов и средств создания высоконадежных компонентов и систем бортовой радиоэлектронной аппаратуры ракетно-космической и транспортной техники нового поколения» (Соглашение № 15-19-10037 от 20 мая 2015 г.) при финансовой поддержке Российского научного фонда.
Известные методы измерения параметров вибраций подразделяются на контактные и бесконтактные. Отличительной особенностью контактных методов является то, что на объект контроля крепится контактный вибродатчик. Контактный вибродатчик содержит контактную массу и чувствительный элемент. При воздействии вибраций контактная масса по инерции сохраняет покой. В результате чувствительный элемент, расположенный между вибрирующим объектом и контактной массой, деформируется. Динамические параметры этой деформации преобразуются в электрические сигналы. Контактные датчики, как правило, формируют сигналы, прямо пропорциональные ускорению вибрационного воздействия, то есть являются виброакселерометрами.
Преимуществом контактного измерения вибраций является простота реализации, наглядность, отсутствие необходимости виброзащиты самого датчика.
К недостаткам контактных методов измерения вибраций следует отнести существенную неравномерность амплитудно-частотной характеристики в рабочем диапазоне частот вибрационного воздействия; высокий уровень неучитываемой систематической погрешности, которую привносит контактная масса, влияющая на распределение измеряемой величины; практическую невозможность измерения распределения вибраций, то есть измерения параметров вибраций во многих точках одновременно.
К бесконтактным методам измерения вибраций относятся радиочастотные, ультразвуковые, оптические (лазерные и широкополосные) и др.
Преимуществами известных методов измерения вибраций данной группы является отсутствие контактной массы, воздействующей на параметры измеряемой величины, и, как следствие, отсутствие вносимой ей измерительной погрешности.
К недостаткам известных на сегодняшний день бесконтактных методов измерения вибраций следует
отнести то, что все они измеряют только амплитуды либо действующие значения параметров вибраций без учета направления вибраций. Кроме того, применение бесконтактных методов измерения вибраций также, как и применение контактных методов, не обеспечивает возможность вибромониторинга, то есть измерения параметров вибраций множества точек объекта контроля одновременно.
Развиваемый нами метод относится к классу бесконтактных оптических. Но, в отличие от известных таких методов, он открывает возможность измерять не только амплитуду, но и направление вибраций и позволяет измерять распределение параметров вибраций по поверхности объекта контроля, то есть одновременно измерять параметры вибраций множества исследуемых точек на поверхности объекта контроля.
Сущность метода основана на том, что на поверхность объекта контроля наносятся круглые метки, регистрируется изображения этих меток при отсутствии вибраций и при их наличии. О модулях и компонентах векторов вибрационных перемещений в точках объекта судят по результатам сравнения геометрических параметров изображений меток при отсутствии вибраций и при их наличии.
Методологические основы бесконтактного трех-компонентного измерения вибрации на основе анализа размытого изображения круглой метки изложены в публикациях [1-3].
В публикации [4] проведен анализ двух предельных ситуаций: когда вибрационное воздействие осуществляется в плоскости изображения и когда вибрационное воздействие перепендикулярно этой плоскости. В публикации [5] рассмотрена более общая ситуация вибрационного перемещения исследуемой точки в произвольном направлении. В публикации [6] рассмотрена общая структура методики измерения параметров вибрационного перемещения исследуемой точки, основанной на измерении геометрических параметров следа вибрационного размытия изображения круглой метки, в геометрическом центре которой расположена исследуемая точка поверхности объекта контроля. В публикации [7] представлена методика калибровки системы трехкомпонентного измерения параметров вибраций на основе анализа геометрии следа вибрационного размытия изображения круглой метки.
След вибрационного размытия изображения круглой метки является полутоновым изображением. Для его обработки необходимо преобразование его к бинарному виду. В ряде случаев традиционная уровнево-пороговая бинаризация не обеспечивает необходимой точности преобразования, в результате чего возникают ошибочные структурные определения [8]. Для предотвращения таких ситуаций следует применять структурно-разностную бинаризацию [9].
При анализе следа вибрационного размытия изображения круглой метки возникает необходимость измерения координат центра тяжести сегмента. Эта задача решается методом, предложенным в публикации [10].
Формирование сегментов и кластеров следа вибрационного размытия изображения круглой метки основано на принципах, разработанных для распознавания латентных технологических дефектов печатных плат [11-15].
Целью настоящей публикации является описание структуры методики измерения модуля и компонент вектора вибрационного перемещения исследуемой точки, когда калибровка системы измерений уже произведена, то есть когда определены координаты центра тяжести и радиус 1со, _7со, 1 о изображения
метки при отсутствии вибраций, соответственно, и коэффициенты pxy и pz вибрационного перемещения исследуемой точки в плоскости изображения и в направлении, перпендикулярном плоскости изображения, соответственно. Названные коэффициенты связывают геометрические параметры следа вибрационного размытия, измеренные в растровых единицах (run) с реальными компонентами вектора вибрационного перемещения, измеренными в микрометрах:
Axy = Pxy * Lxy i- (1)
где Axy — проекция вектора амплитуды виброперемещения центра тяжести метки на плоскость изображения; pxy — коэффициент пропорциональности;
4 = Pz ■ L , (2)
где Az — величина проекции вектора амплитуды виброперемещения центра тяжести метки на направление, перпендикулярное плоскости изображения; Lz — приращение радиуса изображения метки; pz — коэффициент пропорциональности.
След вибрационного размытия изображения круглой метки представляет собой бинарную матрицу bsv, примерный вид которой представлен на рис. 1.
Рисунок 1 - Примерный вид бинарной матрицы следа вибрационного размытия изображения круглой метки
Структурная схема функционального блока анализа следа вибрационного размытия изображения круглой метки представлена на рис. 2.
Рисунок 2 - Структура блока анализа следа вибрационного размытия изображения круглой метки
Порядковые номера, обозначения и наименования входных параметров блока анализа следа вибрационного размытия изображения круглой метки представлены в табл. 1. Входными параметрами блока анализа следа вибрационного размытия изображения круглой метки являются выходные параметры блока анализа изображения метки при отсутствии вибраций [] плюс бинарная матрица следа вибрационного размытия изображения круглой метки bsv.
Результаты анализа следа вибрационного размытия изображения круглой метки представлены на выходах блока 1...4 (табл. 2). Наименования структурных блоков анализа следа вибрационного размытия изображения круглой метки представлены в табл. 3. В блоке 1 формирования и описания отсчетных сегментов осуществляется разбиение следа вибрационного размытия на отсчетные сегменты, каждый из которых является областью связанных пикселей, расположенных на одинаковом с Исходные данные для анализа следа вибрационно
точностью до одной растровой единицы расстоянии от центра тяжести изображения круглой метки на исходной позиции при отсутствии вибраций. Исходные данные блока 1 формирования и описания от-счетных сегментов представлены в табл. 4.
Выходные параметры блока 1 формирования и описания отсчетных сегментов представлены в табл. 5. Результаты блока 1 формирования и описания отсчетных сегментов являются исходными данными для блока 2 анализа отсчетных сегментов. Кроме того, на вход блока 2 анализа отсчетных сегментов поступает значение радиуса изображения метки на исходной позиции при отсутствии вибраций, ре 1о (табл. 6). Блок 2 анализа отсчетных сегментов на основании этих исходных данных формирует значения параметров по табл. 7. Исходные данные блока 3 вычисления параметров представлены в табл. 8.
го размытия изображения круглой метки Таблица 1
Порядковый номер входа Данные
Обозначение Наименование
1 pxy Коэффициент пропорциональности в формуле (1), мкм/run
2 j c0 Абсцисса центра тяжести изображения метки, run
3 i c0 Ордината центра тяжести изображения метки, run
4 l 0 Радиус изображения метки при отсутствии вибраций, run
5 pz Коэффициент пропорциональности формуле (2), мкм/ run
6 bSV Бинарная матрица следа вибрационного размытия изображения круглой метки
Выходы блока анализа следа вибрационного размытия изображения круглой метки Таблица 2
и результаты этого анализа
Порядковый номер выхода Данные
Обозначение Наименование
1 Ax Проекция вектора амплитуды виброперемещения на ось абсцисс
2 Ay Проекция вектора амплитуды виброперемещения на ось ординат
3 Az Проекция вектора амплитуды виброперемещения на ось аппликат
4 A Модуль вектора амплитуды виброперемещения
Структурные блоки анализа следа вибрационного размытия изображения круглой метки Таблица 3
Порядковый номер блока Наименование
1 Блок формирования и описания отсчетных сегментов
2 Блок анализа отсчетных сегментов
3 Блок вычисления параметров
Исходные данные блока 1 формирования и описания отсчетных сегментов Таблица 4
Порядковый номер входа Данные
Обозначение Наименование
1 j c0 Абсцисса центра тяжести изображения метки, ре
2 i c0 Ордината центра тяжести изображения метки, ре
3 l 0 Радиус изображения метки при отсутствии вибраций, ре
Выходные параметры блока 1 формирования и описания отсчетных сегментов Таблица 5
Порядковый номер входа Данные
Обозначение Наименование
1 lcso(m) Вектор расстояний между центрами тяжести отсчетных сегментов и изображения метки на исходной позиции при отсутствии вибраций, ре
2 jcso(m) Вектор абсцисс центров тяжести отсчетных сегментов, ре
3 icso(m) Вектор ординат центров тяжести отсчетных сегментов, ре
Исходные данные блока 2 анализа отсчетных сегментов Таблица 6
Порядковый номер входа Данные
Обозначение Наименование
1 l 0 радиус изображения метки на исходной позиции при отсутствии вибраций, ре
2 lcso(m) Вектор расстояний между центрами тяжести отсчетных сегментов и изображения метки на исходной позиции при отсутствии вибраций, ре
3 jcso(m) Вектор абсцисс центров тяжести отсчетных сегментов, ре
4 icso(m) Вектор ординат центров тяжести отсчетных сегментов, ре
Выходные параметры блока 2 анализа отсчетных сегментов Таблица 7
Порядковый номер входа Данные
Обозначение Наименование
1 Lz Аппликата вектора виброперемещения метки, ре
2 Lxy Проекция вектора виброперемещения метки на плоскость изображения, ре
3 jcso(mlm) Абсцисса вектора виброперемещения метки, ре
4 icso(mlm) Ордината вектора виброперемещения метки, ре
Исходные данные блока 3 вычисления параметров Таблица 8
Порядковый номер входа Данные
Обозначение Наименование
1 pxy Коэффициент пропорциональности в формуле (2.2), мкм/ре
2 j c0 Абсцисса центра тяжести изображения метки, ре
3 i c0 Ордината центра тяжести изображения метки, ре
4 Lz Аппликата вектора виброперемещения метки, ре
5 Lxy Проекция вектора виброперемещения метки на плоскость изображения, ре
6 j cso ( mlm ) Абсцисса вектора виброперемещения метки, ре
7 i cso ( mlm ) Ордината вектора виброперемещения метки, ре
8 pz Коэффициент пропорциональности формуле (2), мкм/ре
Блок 3 вычисления параметров преобразует эти исходные данные в выходные параметры блока анализа следа вибрационного размытия изображения круглой метки и результаты этого анализа (табл.
2). Эти результаты являются одновременно и результатами работы всей системы бесконтактного измерения параметров вибраций.
ЛИТЕРАТУРА
1. Grigor'ev A.V., Goryachev N.V.r Yurkov N.K. Way of measurement of parameters of vibrations of mirror antennas. 2015 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). Proceedings. - Omsk: Omsk State Technical University. Russia, Omsk, May 21-23, 2015. DOI:10.110 9/SIBCON.2015.7147031
2. Пат. RU 2535237 Способ измерения вибраций. / Држевецкий А. Л., Юрков Н. К., Григорьев А. В., Затылкин А. В., Кочегаров И. И., Кузнецов С. В., Држевецкий Ю. А. Деркач В. А. — Опубл. 10.12.2014 Бюл. № 3 4. — 12 c.
3. Пат. RU 2535522 Способ измерения вибраций. / Држевецкий А. Л., Юрков Н. К., Григорьев А. В., Затылкин А. В., Кочегаров И. И., Кузнецов С. В., Држевецкий Ю. А. Деркач В. А. — Опубл. 10.12.2014
Бюл. № 3 4. — 15 c.
4. Григорьев А.В., Трусов В.А., Баннов В.Я., Андреев П.Г., Таньков Г.В. Моделирование следа размытия изображения круглой метки при ее компланарном и ортогональном виброперемещениях. Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2015. Т. 1. С. 106-109.
5. Григорьев А.В., Юрков Н.К., Кочегаров И.И., Затылкин А.В., Горячев Н.В. Моделирование следа размытия изображения круглой метки при ее произвольном виброперемещении. Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2015. Т. 1. С. 109-112.
6. Григорьев А.В., Данилова Е.А., Бростилов С.А., Наумова И.Ю., Лапшин Э.В., Баранов А.А. Структура методики измерения параметров вибраций по следу вибрационного размытия изображения круглой метки. Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2015. Т. 2. С. 13-16.
7. Григорьев А.В., Алмаметов В.Б., Долотин А.И., Царев А.Г., Беликов Г.Г., Гришко А.К. Методика калибровки системы трехкомпонентного измерения параметров вибраций на основе анализа геометрии следа вибрационного размытия изображения круглой метки. Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2015. Т. 2. С. 16-19.
8. Григорьев А.В., Држевецкий А.Л., Баннов В.Я., Трусов В.А., Кособоков А.С. Об ограничениях уровнево-пороговой сегментации полутоновых растровых изображений. Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2014. Т. 2. С. 18-21.
9. Григорьев А.В., Држевецкий А.Л., Баннов В.Я., Трусов В.А., Кособоков А.С. Принцип негативно-контурной классификации растровых элементов полутоновых изображений. Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2014. Т. 2. С. 21-24.
10. Пат. RU 2032218 Устройство для селекции изображений объектов. / Држевецкий А.Л., Контишев В.Н., Григорьев А.В., Царев А.Г. — Опубл. 27.03.1995.
11. Григорьев А.В., Држевецкий А.Л., Юрков Н.К. Способ обнаружения и идентификации латентных технологических дефектов печатных плат. Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2013. Т. 1. С. 15-19.
12. Артемов И.И., Уханов А.П. История техники. Автотракторостроение. Учебное пособие. Пенза, 2005.
13. Григорьев А.В., Данилова Е.А., Држевецкий А.Л. Классификация дефектов бортовой РЭА. Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2013. Т. 1. С. 328-331.
14. Артемов И.И. Повышение долговечности шаровых опор легковых автомобилей / И.И. Артемов, А.А. Войнов // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2007. № 9. С. 43-50.
15. Григорьев А.В., Кочегаров И.И., Юрков Н.К. Автоматизированная система для подсчета заужений проводящего рисунка печатной платы, обусловленных и не обусловленных наличием раковин. Надежность и качество сложных систем. 2015. № 2 (10).
УДК 004.932.2
Григорьев А.В., Затылкин А.В., Лысенко А.В., Таньков Г.В.
ФГБОУ ВО «Пензенский Государственный университет», Пенза, Россия
ФОРМИРОВАНИЕ И ОПИСАНИЕ ОТСЧЕТНЫХ СЕГМЕНТОВ СЛЕДА ВИБРАЦИОННОГО РАЗМЫТИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ КРУГЛОЙ МЕТКИ
Представлена структурная схема процесса формирования и описания отсчетных сегментов следа вибрационного размытия изображения круглой метки с описанием этого процесса. Показано, что результатом этого процесса является формирование и структурное описание отсчетных сегментов следа вибрационного размытия изображения метки и что эти сегменты представляют собой области связанных элементов, равноудаленных от центра тяжести изображения метки на исходной позиции при отсутствии вибраций. Показано, что функциональный блок информационно-измерительной системы, реализующий формирование отсчетных сегментов, ставит в соответствие каждому такому сегменту его порядковый номер, вычисляет его площадь, измеренную в квадратных растровых единицах, и координаты центра тяжести, измеренные в растровых единицах. Рассматриваемая в настоящей статье подсистема системы анализа следа вибрационного размытия изображения круглой метки различает сегменты-кольца и сегменты-дуги и, далее, осуществляет измерение полуширины и полудлины следа вибрационного размытия изображения метки.
Ключевые слова:
вибрация, размытие, сегмент, маркировка, пиксель, плоскость, объект.
