CC BY
5
Agafonov Evgeny Dmitrievich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University Institute of Petroleum and Natural Gas Engineering,
Vaschenko Galina Vadimovna, candidate of physical and mathematical sciences, docent, gvashenko@,sfu-kras.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University Institute of Petroleum and Natural Gas Engineering,
Shram Vyacheslav Gennadievich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University Institute of Petroleum and Natural Gas Engineering,
Orlovskaya Nina Fedorovna, doctor of technical sciences, professor, norlovskaya@,sfu-kras.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University Institute of Petroleum and Natural Gas Engineering
УДК 681.787
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-12-288-294
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРАБОТАННОЙ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ
ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ
Е.Е. Майоров, М.В. Хохлова, О.В. Громов, С.В. Удахина, А.В. Арефьев, И.С. Таюрская
Настоящая статья посвящена теоретическое исследование разработанной автоматизированной измерительной системы на основе двухлучевой интерферометрии. Показана актуальность и перспективность работы, так как определение высоты вариации рельефа поверхности с высокой точностью всегда была важной задачей для метрологии Приведена и описана оптическая схема автоматизированной интерференционной системы. Определено рассеивающее световое поле, которое вносит существенный вклад в погрешность измерений исследуемых поверхностей объектов. Получено выражение для амплитуды выходного интерференционного сигнала, которое учитывает структуру рассеивающего поля, образованного индивидуальными спеклами.
Ключевые слова: спекл, интерферометрия, степень когерентности, функция автокорреляции, интенсивность, эффективная апертура, длина волны излучения.
В последние годы в России наблюдается тенденция развития высокоточных и надежных технологий для промышленного комплекса [1]. Данная тенденция определяет перспективы и совершенствования новых методов и средств научной базы [2]. Ключевое место для решения различной сложности задач занимают оптико-электронные приборы и комплексы. Эти приборы и комплексы исключают материальные контакты с объектом исследования, а значит, дают возможность получать полную и достоверную информацию эксперимента [3].
В этом направлении хорошо себя зарекомендовали интерференционные приборы и системы. Они позволяют решать задачи различной направленности в метрологии. Одна из них -это исследование объектов разной формы с определенной высотой вариации рельефа (шероховатости) [4-8]. В прошлом столетии интерферометрию начали внедрять в научную и лабораторную практику, где были достигнуты успехи в методике измерения зеркальных и высокополированных поверхностей объектов [8-12].
Современное развитие компьютерной техники позволило выдвинуть интерферометрию на более высокий уровень, где появилась возможность проводить качественную и количественную интерпретацию полученных результатов измерений [13-15].
Практически все автоматизированные оптико-электронные приборы и комплексы применяемые для контроля поверхности объектов основаны на обработке светового излучения, полученного в результате отражения его от исследуемой поверхности [15-17]. Наблюдается тенденция того, что высококогерентные методы и средства при контроле шероховатых поверхностей объектов уступают место интерференционным приборам и системам, работающим
в низкокогерентном свете. Это направление в оптическом приборостроении относительно новое. Указанные приборы и системы по точночти и диапазону измерений не уступают контактным приборам, просты в эксплуатации и полностью удовлетворяют требованиям производственного контроля [18-21].
Поэтому целью работы явилось теоретическое исследование разработанной автоматизированной измерительной системы на основе двухлучевой интерферометрии.
Погрешность измерений автоматизированной системы. При измерениях форм шероховатых поверхностей интерференционной системой наблюдается хаотическое чередование светлых и темных точек светового поля. Такое рассеивающее световое поле принято называть спекл-полем или спекл-структурой [22]. Это результат сложения световых волн, отраженных от поверхности сложной формы с варьирующей высотой рельефа. На рис. 1 показан способ получения такого спекл-поля.
Обычно, световое поля подчиняется закону [23]:
Р(1 ) = 7^"ехР "
Л
Г «
где р(1) - плотность вероятности; ()- средняя интенсивность.
На рис. 1 представлено световое поле в плоскости регистрации. Функция автокорреляции в области й будет иметь вид:
(1)
Я (х, У ) = (I)2
. 2 йх . 2 йу 1 + smc — smc — ХЬ ХЬ
(2)
где Щх, у) - функция; Ь - расстояние от поверхности до фотоустройства; X - длина излучения. Далее из [24] и (2) следует, что
где Ь, - размер элемента рассеивания.
Ь, = 1,22 Х,
а
(3)
Рис. 1. Получение поля рассеивания: S - световой источник; Р - объект;
N - фотоприемник
Оптическая схема интерференционной системы. Методика измерений шероховатых поверхностей автоматизированной интерференционной системой (АИС) основана на явлении двухлучевой интерферометрии. Представленная в работе АИС построена на интерферометре Майкельсона, а оптическая схема ее показана на рис. 2.
В начальном состоянии интерференционная картина имеет максимум контраста за счет равенства длин плеч интерферометра. Как только поверхность объекта начинает смещаться в поперечном направлении относительно зондирующего луча, тогда точка поверхности объекта перемещается из плоскости Z = 0 на величину равную В связи с этим предусмотрена компенсация этого движения опорным зеркалом на величину ! =Л£ что в свою очередь возвращает точку в исходное состояние и равенство длин плеч интерферометра восстанавливается. На фотодетектор D приходит световой луч, который состоит из объектной и опорной световых волн.
Итак, разность фаз интерферирующих волн:
2л _
(р = — 2vt, X
(4)
где 2vt = 2 А - изменение величины А .
Рис. 2. Оптическая схема автоматизированной интерференционной системы: 3 - светодиод; О - линза; В - стеклянная пластина; Я -зеркало; Р - исследуемый объект;
Б - фотодатчик
В работах [22-25] определена интенсивность на выходе прибора:
4 л
I(() = 1р + 1Г + 2^~г \ург(t)о08
X
(5)
где 1р - интенсивность объектной световой волны, 1г - интенсивность опорной световой волны.
Для преобразования световых характеристик в электрический сигнал применена спектральная характеристика источника излучения:
ехР|
У^-Уо
Ау
где У, Уо, А у - рабочая частота, начальная частота и разность частот. При этом функция степени когерентности имеет вид [25]
2v(( - ^ ) ^
у
()=
ехр
/
(6)
На рис. 3 показан максимум выходного сигнала соответствующий tm, при котором А! =А. При начальной точке to и максимуме сигнала.
и«
4-
Рис. 3. Выходной сигнал с АИС 290
2
Оценка амплитуды выходного сигнала. Для оценки амплитуды выходного сигнала воспользуемся формулой [4-6]:
I; ( у )=I, х у')®
f ( у )+2лГ8 ( У )
(7)
N = (11)
где I' (х, у) - интенсивность на объекте; I, (х', у') -интенсивность в источнике; 1а - длина когерентности; ® - операция свертки; /(х,у) и ^(х,у) - функции интегральные. Далее, определяется величина пятна:
Д = 1,22 ^, (8)
Я
где Ьо - расстояние от поверхности до фотоустройства; Бо - размер линзы. Так как g(x,y) 2% то в (7) с учетом (8) получим
й = Вй, +1,22 ^, (9)
. Бо
где й - размер светового пятна; -размер источника света; в - масштаб изображения. Далее в (3) подставим й :
Ь, = 2,44-- . (10)
й +1,22 ^ Бо
Определим N количество элементов рассеивания в а:
ьу
ь
То получим:
и = ^А. (12)
Подставим (10) и (11) в (12) то получим усредненную огибающую выходного сигнала
ит==0-£к-^Щт (13)
Pds +1,22^
Бо
где 1г - интенсивность от зеркала, к - коэффициент преобразования, (1р) - усредненная интенсивность от объекта \ург (() - степень когерентности.
Выражение (13) определяет изменение амплитуды от движения зеркала и показывает, обратную пропорциональность -^Ы, - элементам рассеивания.
Заключение. Проведено теоретическое исследование разработанной автоматизированной измерительной системы на основе двухлучевой интерферометрии для измерений шероховатых поверхностей сложной формы. Выявлена причина, влияющая на точность измерений автоматизированной системы. Дана оценка амплитуды выходного сигнала, которая отражает изменение амплитуды выходного сигнала при смещении опорного зеркала и показывает, что
амплитуда выходного сигнала обратно пропорциональна - количеству отдельных спеклов
в эффективной апертуре фотоприемника.
Список литературы
1. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука. 1970. 855 с.
2. Креопалова Г.В., Лазарева Н.Л., Пуряев Д.Т. Оптические измерения. М.: Машиностроение. 1987. 264 с.
3. Геликонов В.М. и др. Когерентная оптическая томография микронеоднородностей биотканей // Письма в ЖЭТФ. 1995. Т.61. Вып.2. С. 149-153.
291
ит
4. Майоров Е.Е., Прокопенко В.Т., Ушверидзе Л.А. Расчет параметров сканирования интерферометрической системы контроля формы диффузно отражающих объектов // Приборы. 2012. №7 (145) С.23-25.
5. Майоров Е.Е. Машек А.Ч., Прокопенко В.Т. Хайдаров Г.Г. Применение поперечно-сдвиговой интерферометрии в топографической интерферометрии для контроля диффузно отражающих объектов // Вестник Санкт-Петербургского университета. Сер. 4: Физика, химия.
2012. Вып. 4. C. 31-35.
6. Майоров Е.Е. Машек А.Ч., Прокопенко В.Т., Чистякова Н.Я. Исследование метрологических характеристик измерительной оптико-механической головки. // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2012. Т.55. №7. С.59-65.
7. Майоров Е.Е., Прокопенко В.Т. Когерентно-ограниченная интерферометрическая система в исследовании биологических объектов // Медицинская техника. 2012. №3 (237). С. 24-26.
8. Майоров Е.Е., Прокопенко В.Т. Применение двухчастотного излучения для реализации принципов гетеродинной голографической интерферометрии с одним опорным пучком // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2012. Т.55. №12. С.43-45.
9. Майоров Е.Е., Прокопенко В.Т. Исследование влияния спекл-структуры на формирование интерференционного сигнала и погрешность измерений // Научное приборостроение.
2013. Том 23. №2. С.38-46.
10. Майоров Е.Е., Прокопенко В.Т. Вывод аналитического выражения для разности хода лучей, прошедших интерферометр Жамена // Научное приборостроение. 2013. Том 23. №3. С.76-81.
11. Майоров Е.Е., Прокопенко В.Т., Шерстобитова А.С. Исследование оптико-электронной системы расшифровки голографических интерферограмм. // Оптический журнал. Т80. №3. 2013. С.47-51.
12. Большаков И.П., Котов И.Р., Майоров Е.Е., Прокопенко В.Т. Анализ влияния перекрестной интерференции на погрешность интерферометра сдвига // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. - 2013. Т.56. №5. С.18-21.
13. Майоров Е.Е., Прокопенко В.Т. Исследование влияния спекл-структуры на формирование интерференционного сигнала и погрешность измерений // Научное приборостроение. 2013. Т. 23. №2. С.38-46.
14. Майоров Е.Е. Метод устранения влияния декорреляции спекл-полей на точность измерений и динамический диапазон интерференционного сигнала // Научное обозрение. 2013. №9. С.329-332.
15. Майоров Е.Е., Прокопенко В.Т., Ушверидзе Л.А. Система когерентной обработки спеклограмм для исследования поверхностей зубной ткани // Медицинская техника. №6 (282) 2013.С. 25-27.
16. Майоров Е.Е., Машек А.Ч., Удахина С.В., Цыганкова Г.А., Хайдаров Г.Г., Черняк Т.А. Разработка компьютерной интерференционной системы контроля негладких поверхностей // Приборы. 2015. №11 (185) С.26-31
17. Майоров Е.Е., Машек А.Ч., Удахина С.В., Цыганкова Г.А., Хайдаров Г.Г., Черняк Т.А. Алгоритмы обработки информационного сигнала компьютерной интерференционной системы контроля негладких поверхностей // Научное приборостроение. 2015. Том 25. №4. С.61-66.
18. Прокопенко В.Т., Майоров Е.Е., Машек А.Ч., Удахина С.В., Цыганкова Г.А., Хай-даров А.Г., Черняк Т.А. Оптико-электронный прибор для контроля геометрических параметров диффузно отражающих объектов// Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2016. Т. 59. № 5. С. 388-394.
19. Майоров Е.Е., Прокопенко В.Т., Удахина С.В., Цыганкова Г.А., Черняк Т.А. Оптико-электронная компьютерная система для обнаружения внешних агентов в подповерхностных слоях кожного покрова // Медицинская техника. 2016. №2. С. 7 - 10.
20. Прокопенко В. Т., Майоров Е. Е., Машек А. Ч., Удахина С. В., Цыганкова Г. А., Хайдаров А. Г., Черняк Т. А. Оптико-электронный прибор для контроля геометрических параметров диффузно отражающих объектов// Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2016. Т. 59, № 5. С. 388-394.
21. Майоров Е.Е., Прокопенко В.Т., Машек А.Ч., Цыганкова Г.А., Курлов А.В., Хох-лова М.В., Кирик Д.И., Капралов Д.Д. Экспериментальное исследование метрологических характеристик автоматизированной интерферометрической системы измерения формы поверхности диффузно отражающих объектов // Измерительная техника. №10. 2017. С. 33-37.
22. Курлов В.В., Коцкович В.Б., Майоров Е.Е., Пушкина В.П., Таюрская И.С. Экспериментальное исследование разработанной интерференционной системы для измерений поверхности объектов сложной формы // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. № 8. C. 179-189.
23. Цыганкова Г.А., Майоров Е.Е., Черняк Т.А., Константинова А.А., Машек А.Ч., Писарева Е.А. Исследование разработанного интерферометра поперечного сдвига для настройки интерференционных полос при обработке интерферограмм // Приборы. 2021. № 2. С. 2025.
24. Машек А.Ч., Цыганкова Г.А., Константинова А.А., Майоров Е.Е., Писарева Е.А., Громов О.В. Расчет основных параметров оптико-электронной системы наблюдения и изучения интерференционных структур на голограммах // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. № 2. C. 184-192.
25. Хохлова М.В., Арефьев А.В., Майоров Е.Е., Гулиев Р.Б., Дагаев А.В., Громов О.В. Экспериментальное исследование метрологических характеристик разработанного оптического щупа триггерного типа // Приборы. 2021. № 5. С. 8-16
Майоров Евгений Евгеньевич, канд. тех. наук, доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Хохлова Марина Владимировна, канд. пед. наук, доцент, mvxox@mail. ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Громов Олег Владимирович, канд. тех. наук, доцент, oleggromoff@,mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Университет при Межпарламентской Ассамблее ЕврАзЭС,
Удахина Светлана Вячеславовна, канд. экон. наук, доцент, udahina@,mail. ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Арефьев Александр Владимирович, канд. физ.-мат. наук, доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Университет при Межпарламентской Ассамблее ЕврАзЭС,
Таюрская Ирина Соломоновна, канд. экон. наук, доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский университет технологий управления и экономики
THEORETICAL STUDY OF THE DEVELOPED AUTOMATED MEASURING SYSTEM BASED ON
TWO-BEAM INTERFEROMETRY
E.E. Maiorov, M.V. Khokhlova, O.V. Gromov, S.V. Udahina, A.V. Arefiev, I.S. Tayurskaya
This article to the theoretical study of the developed automated measuring system based on two-beam interferometry is devoted. The relevance and prospects of the work are shown, since determining the height of the surface relief variation with high accuracy has always been an important task for metrology, an optical scheme of an automated inter-ferential system is presented and described. A scattering light field, which makes a significant contribution to the measurement error of the studied surfaces of objects is determined. An expression for the amplitude of the output interference signal, which takes into account the structure of the scattering field formed by individual speckles is obtained.
Key words: speckle, interferometry, degree of coherence, autocorrelation function, intensity, effective aperture, wavelength of radiation.
Maiorov Evgeny Evgenievich, candidate. of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation,
Khokhlova Marina Vladimirovna, candidate. of pedagogical sciences, docent, mvxox@mail. ru, Russia, Saint-Petersburg, Military space Academy named after A.F. Mozhaisky,
293
Gromov Oleg Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, University at the inter-parliamentary Assembly of EurAsEC,
Udahina Svetlana Viacheslavovna, candidate. of economic sciences, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation,
Arefiev Alexander Vladimirovich, candidate of physical and mathematical sciences, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, University at the EurAsEC inter-parliamentary Assembly.
Tayurskaya Irina Solomonovna, candidate of economic sciences, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg University of management technologies and Economics
УДК 621.311.22
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-12-294-299
ИНФОРМАЦИОННАЯ ПОДДЕРЖКА ПРИНЯТИЯ УПРАВЛЕНЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ НЕБЛАГОПРИЯТНЫХ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ СИТУАЦИЙ
В.М. Панарин, А.А. Маслова, Д.В. Трещев
Рассмотрена автоматизированная система информационной поддержки принятия управленческих решений для предотвращения неблагоприятных экологических ситуаций, в которой датчики контроля устанавливаются не на прилегающей к промышленному предприятию территории, а непосредственно на исходящей трубе, через которую осуществляется выброс вредных веществ. Одним из элементов по сбору данных является автономный экологический метеокомплекс. Разработано программное обеспечение информационной поддержки принятия управленческих решений для предотвращения неблагоприятных экологических ситуаций.
Ключевые слова: экологический мониторинг, прогнозирование, загрязнение атмосферы, промышленно развитая территория, моделирование.
В настоящее время весьма актуальным являются технологии мониторинга промышленных территорий с точки зрения неблагоприятной экологической ситуации. В частности мониторинга загрязнения атмосферы предприятиями различных отраслей промышленности. Но необходимо совершенствовать аппаратурно-программное обеспечение, расширять количество исследуемых параметров, повышать надежность и оперативность экспериментальных данных.
Контроль негативного воздействия на окружающую среду - одна из основных задач международного экологического сообщества, и 2017 год стал в этом вопросе знаковым для нашей страны. Мероприятия Года экологии не могли не отразиться на законотворческой деятельности - были разработаны и приняты несколько нормативно-правовых актов, которые должны улучшить экологическую обстановку в России [1-2].
С 1 января 2019 года, в соответствии с ФЗ-422 от 28.12.2017 г. отдельные стационарные источники оснащаются автоматическими средствами контроля объема или массы выбросов веществ, загрязняющих атмосферный воздух, с обязательной передачей данных в Госреестр объектов, оказывающих негативное воздействие на окружающую среду [3].
Для промышленных предприятий 1 категории негативного воздействия на окружающую среду на кафедре охраны труда и окружающей среды ФГБОУ ВО «Тульский государственный университет» совместно с ООО «СервисСофт» разработана автоматизированная система информационной поддержки принятия управленческих решений для предотвращения неблагоприятных экологических ситуаций, способная выполнять функции управления и диагностики первичных измерительных устройств, а также выполняющей расчеты показателей выбросов с возможностью передачи данных в государственные органы.
294
