Контроль частоты и размаха вибрации по изменению контраста в изображении штрихов пирамидальной миры

Актуальность темы

исследования. Современные технологии требуют непрерывного контроля за многими параметрами технологического процесса и контроля состояния оборудования. Одними из важнейших параметров являются размах и частота вибрации.

Избежать механических колебаний на практике почти нельзя, так как они обусловлены динамическими явлениями, сопровождающими присутствие допусков, зазоров и поверхностных контактов отдельных деталей машин и механизмов.

Особенную опасность представляют известные усиления колебаний, возникающие на резонансных частотах упругих конструкций. Безопасной эксплуатации зданий и сооружений, нормальной работе производственного оборудования и силовых установок соответствует определенный уровень вибрации. Превышение допустимых норм параметров вибрации значительно снижает срок эксплуатации объекта, подверженного вибрации, и может привести к его разрушению.

Одной из проблем контроля параметров вибрации — это проблема осуществления контроля на значительных расстояниях от измерительного устройства до объекта. Например, при своевременном контроле вибрации крыши Трансвааль-парка в 2004 году вполне можно было избежать ее обрушения и человеческих жертв.

Одной из последних разработок является метод ультразвуковой фазометрии, который способен обеспечить контроль вибрации на расстоянии до 2 м. Однако контроль вибрации требуется не только в диапазоне расстояний до 2 метров, но и на расстояниях, измеряемых десятками и даже сотнями метров. Методом фазометрии подобную проблему не решить. Поэтому необходимо вести научный поиск новых методов и средств, которые обеспечивают решение этой проблемы.

Возможный путь ее решения состоит в разработке новых оптических методов и средств. Поскольку многие строительные объекты и сооружения обеспечены системами видеонаблюдения, то естественно было бы совмещать и охрану, и контроль.

Сфера контроля основных параметров вибрации достаточно широка и включает в себя: оценку риска аварий объектов промышленного и гражданского назначения, диагностику работы производственного оборудования и силовых установок, аттестацию рабочего места на соответствие установленным требованиям. В условиях интенсивного развития промышленных технологий значительное внимание уделяется проведению научных исследований, направленных на оптимизацию существующих и разработку новых методов и средств контроля параметров вибрации.

Встречающиеся на практике вибрации обычно являются сложными механическими колебаниями с многими составляющими на разных частотах. Частотный анализ механических колебаний машин и механизмов позволяет выделить ряд гармонических частотных составляющих, -непосредственно связанных с основными движениями отдельных узлов и деталей исследуемой машины или механизма. Следовательно, важным элементом контроля сложных механических колебаний является разработка способа измерения и контроля основных параметров гармонических вибраций.

Имеющиеся методы и средства контроля параметров вибрации целесообразно классифицировать по контактному и бесконтактному принципу действия. Общим достоинством бесконтактных методов измерения является отсутствие механического воздействия на исследуемый объект и пренебрежительно малая инерционность, что позволяет избежать основных недостатков, присущих контактным методам.

Из обзора методов и средств контроля параметров вибрации выделены три метода, которые очень просты в технической реализации — это метод мерного клина, метод двойных марок и стробоскопический метод. Достаточно на объект контроля нанести метку или определенную геометрическую фигуру и можно выполнять контроль. Второе их достоинство — это отсутствие инерционности.

Однако стробоскопы способны измерять только частоту вибрации, а устройства, реализующие два других метода — только размах вибрации. Кроме того, методы мерного клина и двойных марок используют для контроля, где не требуется высокая точность.

Современные технические устройства — это скоростная видеокамера с изменяемой кадровой частотой и персональный компьютер позволяют объединить указанные методы и реализовать устройство, сочетающее в себе все их положительные качества.

Алгоритм синтезированного метода контроля можно записать в следующем виде. На объект контроля закрепляют тест-объект с определенными геометрическими фигурами. Изменяя кадровую частоту видеокамеры, добиваются стробоскопического эффекта, когда изображение тест-объекта на экране монитора становится неподвижным. Зафиксированная частота равна частоте вибрации объекта контроля. Поскольку ПЗС-фотоприемник видеокамеры фиксирует изображение тест-объекта в течении некоторого времени (время экспозиции), то в неподвижном изображении возникает вибрационное размытие. Характер вибрационного размытия зависит от размеров и формы геометрических фигур и размаха вибрации. Следовательно, по характеру вибрационного размытия можно судить о размахе вибрации.

Наиболее полное исследование размытия изображения выполнил СГНейл. Свои эксперименты он проводил на радиальной штриховой мире.

СГНейл проектировал изображение миры на экран, а затем проводил дефокусировку, т. е. осуществлял продольное смещение. В результате в определенной области миры происходит смещение штрихов. Подобный эффект известен под названием ложного разрешения, или пространственного фазового сдвига, когда на месте темных штрихов появляются светлые. Данный эффект хорошо исследован и экспериментально, и теоретически. Область пространственного фазового скачка описывает функция Бесселя. Положительные значения этой функции определяют положительный контраст, нулевые значения — нулевой контраст, а отрицательные значения — отрицательный контраст. Таким образом, функция Бесселя является частотно-контрастной характеристикой (ЧКХ) пространственного продольного сдвига. Используя эту функцию, можно проектировать системы контроля, но только продольных смещений.

Однако сам принцип контроля размаха вибрации по изменению контраста в изображении штрихов заслуживает пристального внимания.

Известна ЧКХ скоростного сдвига, которая аналогично функции Бесселя определяет положительный, нулевой и отрицательный контрасты. Следовательно по изменению контраста в штрихах можно судить о размахе вибрации. Важным условием в определении изменения контраста является стробоскопический эффект.

В качестве тест-объекта удобно использовать парные штрихи, организованные в пирамидальную миру. Она состоит из нескольких групп парных штрихов с увеличивающейся пространственной частотой, расположенных одна над другой и имеющих общую ось симметрии.

Цель работы — дать научное обоснование новому методу оптического контроля параметров гармонической вибрации объекта, основанному на синтезе стробоскопического эффекта и эффекта изменения контраста в штрихах пирамидальной миры и разработать визуальный метод контроля параметров вибрации по оптическому изображению штрихов на экране монитора персонального компьютера.

Для достижения поставленной цели необходимо решить задачи:

1. Выполнить аналитический обзор методов и средств контроля параметров вибрации и обосновать возможность синтеза двух оптических эффектов в контроле параметров вибрации.

2. Разработать модель изменения контраста в изображении штрихов пирамидальной миры с различными пространственными частотами в зависимости от частоты и размаха вибрации при условии стробоскопического эффекта.

3. Создать экспериментальную установку для исследования изменения контраста в штрихах пирамидальной миры. Провести эксперименты и уточнить математическую модель с учетом характеристик видеокамеры.

4. Разработать визуальный метод контроля параметров гармонической вибрации по оптическому изображению штрихов на экране монитора персонального компьютера.

Методы исследования. Для теоретических исследований использовано уравнение Фредгольма первого рода с ядром типа свертки, а также применен спектральный анализ. В метрологическом аспекте выполнена теоретическая оценка влияния на результат контроля фоточувствительного элемента ПЗС-фотоприемника по его ЧКХ.

В экспериментальных исследованиях использован метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой. Для воплощения методов использованы эталонные средства: генератор низкочастотных колебаний ГЗ-117, микроскоп «Мир-2», объект-микрометр ОМП ГОСТ 7513–55, измерительная лупа 10х.

Научная новизна полученных результатов.

На основе синтеза стробоскопического эффекта и эффекта изменения контраста в парных штрихах с различной пространственной частотой предложен и научно обоснован новый метод оптического контроля параметров вибрации. Реализация метода современными средствами исключает, во-первых, применение теоремы Котельникова и увеличивает, таким образом, диапазон контроля частот в 2 раза. Во-вторых, способен обеспечить одновременный контроль частоты и размаха гармонической вибрации на значительных расстояниях объекта контроля от видеокамеры. В-третьих, исключает влияние инерционности датчика.

Разработана математическая модель контроля параметров вибрации, которая при условии стробоскопического эффекта позволяет анализировать оптическое изображение штрихов в зависимости от частоты и размаха вибрации с учетом времени экспозиции ПЗС-фотоприемника.

Практическая значимость работы:

1. Разработанный метод контроля параметров вибрации объекта по оптическому изображению штрихов в пирамидальной мире позволяет создавать новые автоматические средства контроля параметров вибрации: частоты, размаха, виброскорости и виброускорения.

2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы в технической оптике при контроле качества оптико-электронных и оптических приборов при регистрации динамических изображений.

Реализация результатов исследований.

Результаты диссертационной работы одобрены для применения в качестве метода контроля вибрации двигателей внутреннего сгорания при изготовлении и пробной эксплуатации на ОАО «Барнаултрансмаш» (656 037, г. Барнаул, пр-т Калинина 28).

На защиту представлены:

Математическая модель изменения контраста в изображении парных вибрирующих штрихов при условии выполнения стробоскопического эффекта.

Метод контроля частоты и размаха гармонической вибрации по оптическому изображению штрихов на экране монитора персонального компьютера.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на VI Всероссийской научно-практической конференции «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве» (Новокузнецк, 2007), 8-ой Международной научно-технической конференции «Измерение, контроль и информатизация» (Барнаул, 2007), VI Межрегиональной научно-технической конференции «Строительство: материалы, конструкции, технологии» (Братск 2008), 9-ой Международной научно-технической конференции «Измерение, контроль и информатизация» (Барнаул, 2008).

Публикации. Основное содержание работы изложено в 11 печатных работах. Из них 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК, 5 статей в региональных журналах, 5 — доклады и тезисы докладов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 86 наименований. Общий объем диссертации составляет 95 страниц, включая 21 рисунок, 8 таблиц.

Выводы:

В настоящей главе представлена разработка метода и средства контроля параметров вибрации.

1. В качестве первичного измерительного преобразователя как средства контроля предложен тест-объект в виде трех парных штрихов. Ширина штрихов в средней паре соответствует номинальному размаху вибрации: а2=Я. Ширина штрихов с низкой пространственной частотой превышает действительный размах вибрации и составляет а/ = (1,1 — 1,3)Я в зависимости от контролируемого размаха вибрации. Ширина штрихов с высокой пространственной частотой меньше действительного размаха вибрации: а3 = 0,75 Я.

2. При допустимом размахе вибрации в средней паре штрихов возникает нулевой контраст, в штрихах с низкой пространственной частотой — положительный контраст, а в штрихах с высокой пространственной частотой — отрицательный контраст.

При недопустимом размахе вибрации нулевой контраст возникает в штрихах с низкой пространственной частотой. При этом в других парах штрихов появляется отрицательный контраст.

3. При контроле параметров вибрации в диапазоне / = 25−85 Гц целесообразно использовать коэффициент отношения времени экспозиции к периоду кадра ПЗС-фотоприемника равным 0,5. Это соотношение обеспечивает широкий диапазон изменения ЧКХ стробоскопического эффекта, которая увеличивает динамический диапазон изменения контраста в штрихах, что позволяет повысить точность контроля.

4. Чтобы методическая погрешность контроля частоты вибрации не превышала 0,5%, период изменения контраста на экране монитора должен составлять не менее 4 секунд.

Научные результаты, представленные в данной главе, опубликованы в работах [39,63].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. На основе синтеза стробоскопического эффекта и эффекта изменения контраста в парных штрихах с различной пространственной частотой предложен и научно обоснован новый метод оптического контроля параметров вибрации. Реализация метода современными средствами исключает, во-первых, применение теоремы Котельникова и увеличивает, таким образом, диапазон контроля частот в 2 раза. Во-вторых, способен обеспечить одновременный контроль частоты и размаха гармонической вибрации на значительных расстояниях объекта контроля от видеокамеры. В-третьих, исключает влияние инерционности первичного измерительного преобразователя.

2. Разработана математическая модель контроля параметров вибрации, которая при условии стробоскопического эффекта позволяет анализировать оптическое изображение штрихов в зависимости от частоты и размаха вибрации с учетом времени экспозиции ПЗС-фотоприемника.

3. При вычислении контраста в изображении штрихов по известному соотношению яркостей предложено вместо разностей максимального и минимального значений определять разность между яркостью в промежутке штрихов и яркостью на штрихах. Строгая фиксация яркостей позволяет получить положительный, отрицательный и нулевой контрасты и, таким образом, согласовать результат вычисления контраста в пространственной области с результатом изменения контраста по ЧКХ в частотной области.

4. Теоретически и экспериментально установлено, что при несовпадении времени экспозиции с кадровой частотой ПЗС-фотоприемника возникает эффект «плавающей» ЧКХ, которая полностью объясняет изменение контраста в штрихах с течением времени.

5. В качестве первичного измерительного преобразователя как средства контроля предложен тест-объект в виде трех парных штрихов. Ширина штрихов в средней паре соответствует номинальному размаху вибрации: а2=КШирина штрихов с низкой пространственной частотой превышает действительный размах вибрации и составляет, а = (1,1 — 1,3)^. Ширина штрихов с высокой пространственной частотой меньше действительного размаха вибрации: а3 = 0,75 Я.

6. При допустимом размахе вибрации в средней паре штрихов возникает нулевой контраст, в штрихах с низкой пространственной частотой — положительный контраст, а в штрихах с высокой пространственной частотой — отрицательный контраст.

При недопустимом размахе вибрации нулевой контраст возникает в штрихах с низкой пространственной частотой. При этом в других парах штрихов появляется отрицательный контраст.

При контроле параметров вибрации в диапазоне / = 25−85 Гц целесообразно использовать коэффициент отношения времени экспозиции к периоду кадра ПЗС-фотоприемника равным 0,5. Это соотношение обеспечивает широкий диапазон изменения ЧКХ стробоскопического эффекта, которая увеличивает динамический диапазон изменения контраста в штрихах, что позволяет повысить точность контроля.

Чтобы методическая погрешность контроля частоты вибрации не превышала 0,5%, период изменения контраста на экране монитора должен составлять не менее 4 секунд.