Содержание к диссертации
Введение
1 Взаимодействие дефектов структуры проводников с электрическими и магнитными полями 10
1.1 Искажения магнитного поля, вносимые дефектами структуры в проводниках 10
1.2 Способы обнаружения и оценки магнитных полей 16
1.2.1 Индукционные преобразователи 17
1.2.2 Гальваномеханические преобразователи 18
1.2.3 Приборы, основанные на внутриатомных эффектах 19
1.2.4 Феррозондовые преобразователи 19
1.2.5 Магнитомеханические преобразователи 19
1.2.6 Магнитооптические преобразователи 20
1.2.7 Магнитострикционные преобразователи 20
1.2.8 Электромагнитное моделирование 21
1.2.9 Силовое взаимодействие магнитного поля с движущимися электрическими зарядами 22
1.2.10 Электронно-оптический метод 24
1.3 Постановка задачи исследования 28
2 Исследование магнитного поля одновиткового проводника по электронно-оптическим муаровым картинам 29
2.1 Схема и аппаратные средства эксперимента 29
2.2 Расчетные модели муаровых картин 31
2.3 Структура измерительной системы 37
2.4 Аппаратные средства 41
2.5 Программное обеспечение 45
Выводы 49
3 Электронно-оптические муаровые картины магнитных полей на плоских проводниках ... 50
3.1 Плоский проводнике отверстием 50
3.1.1 Методика и результаты эксперимента 50
3.1.2 Физическая модель усиления магнитного поля отверстием ... 56
3.1.3 Математическая модель усиления магнитного поля отверстием 62
3.2 Плоский проводник с краевым острым надрезом 66
3.2.1 Методика и результаты эксперимента 66
3.2.3 Физическая модель усиления магнитного поля трещиной 71
3.2.3 Расчетная модель усиления магнитного поля трещиной 74
Выводы 84
4 Критерии наличия дефектов в плоских проводниках по электронно-оптическим муаровым узорам 85
4.1 Фильтрация изображений муаровых картин 85
4.2 Коэффициент ассиметрии Ка муарового изображения 91
4.3 Фрактальная размерность муаровых узоров df 96
4.4 Взаимосвязь муаровых картин на дефектных пластинах с критериями прочности и разрушения 98
Выводы 102
Основные результаты исследования 103
Библиографический список 104
Приложение 1 119
- Способы обнаружения и оценки магнитных полей
- Силовое взаимодействие магнитного поля с движущимися электрическими зарядами
- Физическая модель усиления магнитного поля отверстием
- Взаимосвязь муаровых картин на дефектных пластинах с критериями прочности и разрушения
Введение к работе
Актуальность работы. В основе физики прочности и пластичности заложены структурно-чувствительные свойства твердых тел, которые реально формируются под действием полей различной физической природы, а время жизни и эволюция сопровождаются воздействием внешних факторов, значительным из которых является электромагнитное поле. Наличие дефектов структуры в проводниках нарушает полевую симметрию и перераспределяет электрические и магнитные поля, локализуя их вокруг дефектной зоны. Разница в плотностях энергии по объему проводника может вызвать силовые, температурные, электрические и магнитные градиенты, зачастую приводящие материал к локальному деформированию, разрушению или зарождению трещин вокруг активируемых полем областей.
В связи с этим, эффекты перераспределения, усиления, искажения и концентрации электромагнитного поля требуют их обстоятельного изучения, в особенности механизмов разрушения, которые различаются тепловым и электродинамическим (пондеромоторным) действием на проводник. В обоих случаях значительную роль играет наведенное в проводнике и усиленное дефектом магнитное поле тока, которое формирует вокруг структурных и технологических неоднородностей механическое поле напряжений электромагнитного происхождения. Поэтому для оценки деформированного состояния и разрушения проводников с дефектами необходимо знать не только форму локального распределения магнитного поля, но и его численно-точную напряженность в локальной зоне.
Использование средств электронной микроскопии позволяет впрямую наблюдать топологию локальных магнитных полей малой протяженности и оценивать напряженность этих полей с помощью картин электронно-оптического муара, а в совокупности с цифровой техникой и
5 персональным компьютером - создать информационно-измерительные системы по контролю за этими полями, что открывает широкие возможности выявлять дефекты в проводниках и их опасность с позиций разрушения.
Актуальность работы также подтверждается возможностью создания на базе электронно-оптического муара контроля совместной работы магнитных и электрических систем электроники и вычислительной техники. Это связано с тем, что проводниковые, полупроводниковые, ферромагнитные материалы в процессе работы в этих системах генерируют свои локальные электрические и магнитные поля, которые существенно меняются из-за наличия дефектов, колебаний температуры и изменения геометрии в них. Тем самым, создаются благоприятные условия для нарушения основных функций электромагнитных систем, искажения несущей информации, применения сложной фильтрации, изменения физико-механических свойств электротехнических материалов, приводящих в конечном итоге к зарождению и развитию разрушения. При этом существенную роль в механизмах разрушения играет магнитное поле, которое концентрируясь на дефектах, усиливает давление на проводник. Поэтому, изучение электромагнитной ситуации вокруг дефектов, исследование их взаимодействия с электромагнитным полем представляется нужной и значимой задачей.
Цель работы. Исследовать поведение дефектов в проводящих материалах, находящихся под воздействием электромагнитного поля, методом электронно-оптического муара с целью выявления их взаимодействия и получения информативных критериев оценки электромагнитной ситуации вокруг отверстий и трещин, а также применения электронно-оптических муаровых картин в обнаружении этих дефектов и корреляции информативных критериев с прочностными характеристиками проводящих материалов.
При этом ставились следующие задачи: . разработать и усовершенствовать методику наблюдения и измерения неоднородных магнитных полей в малых объемах с применением современной вычислительной техники; предложить расчетную физическую модель, позволяющую описать электронно-оптические муаровые картины магнитного поля кругового витка с током; . исследовать искажения магнитного поля от различных дефектов в проводнике методом электронно-оптического муара; . найти распределение магнитного поля вокруг отверстия и трещины с помощью предложенных расчетных моделей с применением муаровых картин; . выявить ряд критериев, характерных муаровым картинам и наличием дефектов в проводниках и предложить машинный анализ в виде информационно-измерительной системы обработки муаровых узоров по выявленным критериям: асимметрии и фрактальной размерности муаровых картин; найти зависимости размеров отверстий и трещин в плоских проводниках с током, а также усиления и распределения магнитного поля вокруг этих дефектов от искажений муаровых узоров с применением критериев асимметрии и фрактальной размерности муаровых картин; найти связь асимметрии и фрактальной размерности муаровых картин с прочностными характеристиками материалов по коэффициентам концентрации напряжений и вязкости разрушения.
Научная новизна. предложена усовершенствованная методика наблюдения магнитных полей вокруг центральных отверстий и краевых трещин на плоских проводниках с током и разработана система их измерения на основе электронно-оптических муаровых картин и новых информационных технологий; исследованы искажения магнитного поля на рассматриваемых дефектах в проводящих материалах методом электронно-оптического муара с применением предложенных физических и расчетных моделей; найдены распределения напряженности магнитного поля на отверстии и трещине различных размеров по предложенным физическим и расчетным моделям с использованием электронно-оптических муаровых картин; выявлены критерии взаимосвязи электронно- оптических муаровых картин с наличием дефектов в плоских проводниках в виде асимметрии и фрактальной размерности муарового узора; « предложен машинный анализ обработки муаровых картин по выявленным критериям и создана информационно-измерительная система оценки магнитных полей в малых объемах; найдены зависимости размеров дефектов в плоских проводниках с током, а также усиление и распределение магнитного поля вокруг этих дефектов от искажений муаровых узоров, полученных на основе предложенных критериев асимметрии и фрактальной размерности муаровых картин. найдены зависимости асимметрии и фрактальной размерности муаровых картин с прочностными характеристиками материалов -коэффициентом концентрации механических напряжений вокруг отверстия и надреза-трещины и критерием вязкости разрушения в виде критического коэффициента интенсивности напряжений.
Основные положения, выносимые на защиту. . Методику и измерения магнитных полей на дефектах с помощью электронно-оптического муара.
Исследования по искажению магнитного поля на отверстии и краевой трещине в плоских материалах с применением электронно-оптических муаровых узоров и их взаимосвязи с предложенными физическими и расчетными моделями.
8 . Информационно-измерительную систему по выявлению локальных магнитных полей на дефектах, в которой предлагаются магнитный анализ обработки муаровых картин по выбранным критериям асимметрии и фрактальной размерности муарового узора. Экспериментальные результаты определения геометрических размеров дефектов в плоских проводниках по степени искажений электронно-оптических муаровых картин, которые оцениваются по критериям асимметрии и фрактальной размерности муаровых узоров. . Экспериментальная оценка качественной и количественной связи коэффициента асимметрии муаровых картин с основными критериями вязкости разрушения. Практическая значимость. Предложенная методика наблюдения магнитных полей малой протяженности по электронно-оптическим муаровым картинам позволяет контролировать процессы локального разрушения проводников в дефектной зоне, обнаруживать поверхностные и объемные дефекты по искажениям общей картины магнитного поля проводника с током, оценить работу электрических и магнитных систем в малых объемах с позиций электромагнитной совместимости, создать ряд информационно-измерительных систем различной направленности по измерению, эксплуатационному контролю и качеству элементов радиоэлектроники.
Апробация. Результаты исследований докладывались на научно-технических конференциях Тамбовского государственного технического университета (Тамбов, 2003-2006), Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2003), Седьмая Всероссийская научно-техническая конференция «Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического моделирования» (Тамбов, 2004), XI Державинских чтениях «Научная конференция преподавателей и сотрудников, посвященная 75-летию ИМФИ ТГУ им. Г.Р.Державина (Тамбов, ИМФИ ТГУ им.
9 Г.Р.Державина, 2005); II Международной школе «Физическое материаловедение»; XVIII Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (Тольятти, 2006); XVI Петербургских чтениях по проблемам прочности (Санкт-Петербург, 2006); юбилейной конференции Российской академии образования «Современные проблемы науки и образования» (Москва 2005).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в восьми работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка наименований, приложений. Общий объем работы составляет 118 страниц и содержит 29 рисунков, из них 8 фотоиллюстраций, а также приложения из трех страниц.
Способы обнаружения и оценки магнитных полей
Методы расчёта и исследования, магнитных полей можно подразделить на три группы: аналитические, графические и экспериментальные. Группу аналитических методов составляют приёмы интегрирования уравнения Пуассона (для областей, занятых током), уравнения Лапласа (для областей, не занятых током), методы зеркальных и камфорных отображений и другие [55-62]. В тех случаях, когда расчёт поля аналитическими методами вызывает затруднения, прибегают к графическому методу построения картины поля или исследованию магнитного поля на модели. Графические методы построения картины поля применимы к двумерным безвихревым полям. За последние годы применяют также метод интегральных уравнений, предполагающий использование ЭВМ и значительно расширяющий круг решаемых задач.
Приборы для измерения электромагнитных величин в общем случае представляют собой сложные измерительные устройства, состоящие из нескольких блоков, иногда связанных между собой обратной связью. В народ 17 ном хозяйстве существует довольно большой парк нестандартных приборов для узко специализированных задач на производстве [63-66].
Вопрос классификации способов измерений достаточно сложен и не имеет исчерпывающего решения. Более точно удаётся систематизировать виды приборов для отдельных вопросов измерения [67-71].
Приборы для магнитных измерений можно классифицировать по их назначению, а именно: 1) для измерения магнитной индукции; 2) для измерения магнитного потока; 3) для измерения напряжённости магнитного поля; 4) для измерения градиентов магнитного поля; 5) для измерения магнитной восприимчивости; 6) для измерения магнитной проницаемости.
С другой стороны, приборы классифицируют по отраслям применения: 1) для геомагнитных исследований; 2) для магнетохимии; 3) для магнитной дефектоскопии; 4) для контроля качества материалов по их магнитной проницаемости или коэрцитивной силе и т.д.
Все приборы, в том числе для магнитных измерений, удобнее рассматривать в зависимости от того, какое явление положено в основу их действия. Поэтому наиболее рациональным будет сравнение различных методов измерения и приборов, основанных на этих методах, по принципу действия чувствительного элемента прибора, чаще всего называемого датчиком, зондом или преобразователем, так как именно в этом элементе измеряемая магнитная величина преобразуется в электрическую, оптическую или механическую.
Кроме этого, существует ряд электроизмерительных и электронных приборов, которые имеют специфические особенности схем ввиду применения их в установках для испытания магнитных материалов [72-75].
Индукционные преобразователи. Наиболее известны и чаще применимы приборы, принцип действия которых основан на явлении электромагнитной индукции. Измерительная аппаратура, применяемая в преобразователях, состоит из катушки, выводы которой присоединяются к баллистическому гальванометру или флюксметру. Существуют различные способы реали 18 зации процесса измерения данным методом. Например, катушка, помещённая в исследуемое магнитное поле, может затем из него выдёргиваться, покачиваться (вибрировать) или вращаться с постоянной скоростью. Можно также, оставляя катушку неподвижной, резко уменьшить измеряемое поле до нуля или изменить его на противоположное направление [76-78].
Главная проблема при измерении полей с большой степенью неоднородности связана с применением катушек малых размеров. Для получения достаточной чувствительности приходится увеличивать число витков такой катушки, делая её многослойной. При измерениях в малых объёмах возникает проблема создания и применения миниатюрной катушки с достаточной степенью чувствительности. В ряде случаев приходится прибегать к калибровке катушки или градуировке всей измерительной установки [79].
Гальваномеханические. В настоящее время широкое распространение получил метод измерения магнитных полей, основанный на эффекте Холла [80-82]. Сущность этого эффекта заключается в появлении поперечного электрического поля в образце, по которому течёт ток, если имеется внешнее магнитное поле, перпендикулярное направлению тока. Измеряя возникающую поперечную разность потенциалов, можно определить напряжённость магнитного поля. Точность измерений ограничивается в основном ошибкой, связанной с зависимостью электродвижущей силы Холла от температуры [83,84].
Погрешность нуля, обусловленная дрейфом остаточного напряжения, является одной из трудно устраняемых составляющих погрешности преобразователей Холла. Дрейф главным образом связан с колебаниями температуры. Погрешность нуля является основной характеристикой, определяющей применимость преобразователей Холла для измерения слабых магнитных полей.
Подобным образом работают приборы, принцип действия которых основан на эффекте Гаусса: изменении электрического сопротивления проводника в магнитном поле. Недостатками приборов, работающих на данном эффекте, являются нелинейность шкалы, напряжение шумов [85,86]. Наличие дополнительной погрешности в гальванических приборах является следствием неоднородности магнитного поля, и необходимостью уменьшения размеров активной пластины. Вследствие чего датчики, принцип действия которых основан на рассмотренных эффектах, не могут быть применены в микрообъёмных изделиях сложной конфигурации.
Приборы, основанные на внутриатомных эффектах. В том случае, когда необходимо производить абсолютные измерения магнитных полей с большой степенью точности, неизменным является метод измерения, осно ванный на ядерном магнитном резонансе. В этом методе измеряется частота, при которой наступает явление резонансного поглощения энергии высоко частотного магнитного поля парамагнитными ядрами вещества, помещаемо го в исследуемое поле [87]. Основным недостатком при измерении однородных и неоднородных полей в малых объёмах является размер чувствительного элемента. Размер датчика (катушки, помещаемой в магнитное поле) может быть сделан с наименьшим внешним диаметром до 4 мм. Кроме этого, преобразователь, вносимый в измеряемое поле, вызывает его дополнительную неоднородность. 1.2.4. Феррозондовые преобразователи. Действие феррозондовых прибо ров основано на измерении магнитного состояния ферромагнитного материа ла при одновременном намагничивании в переменных и постоянных полях. Наибольшее распространение получили дифференциальные феррозонды с продольным возбуждением, которые состоят из двух одинаковых пермалое вых сердечников, помещённых в каркасы. На каркасы наложены обмотки возбуждения. Сердечники с обмотками возбуждения называются полуэле ментами феррозонда. Обычно два полуэлемента встроены в общий каркас, на котором находится измерительная обмотка [88,89].
Силовое взаимодействие магнитного поля с движущимися электрическими зарядами
Широко распространён и представлен в исследовательской практике метод моделирования с помощью электропроводящей бумаги [97,98].
Представленные методы моделирования непригодны при анализе полей реальных электротехнических изделий, работающих с полями малой протяжённости, так как размеры чувствительного элемента измерительного устройства не позволяют проводить достаточно точные измерения в небольших объёмах, а измерения распределения полей при небольшой разности потенциалов, в пределах 1 В, практически невозможны.
Непосредственные изменения нормальной составляющей напряжённости поля у края модели с помощью зондов не позволяют достигнуть точных результатов вследствие местных искажений поля вблизи полоски низкоомной бумаги, являющейся электропроводной средой при моделировании.
Силовое взаимодействие магнитного поля с движущимися электрическими зарядами. Под действием силы Лоренца происходит изменение траектории движения заряда. Это обстоятельство используют для измерения индукции или напряжённости магнитных полей [99-101].
Отклонение на небольшие углы можно осуществить, пропуская пучок заряженных частиц через отклоняющий конденсатор или через ограниченный участок магнитного поля. Так как наиболее легко вычисляются траектории в однородном электрическом и магнитном поле, то задача определения величины отклонения будет существенно упрощена, если предположить, что поля на некотором участке однородны, а за его пределами их напряжённость скачком падает до нуля.
В начале 20-х годов прошлого столетия Хэллом был предложен способ определения величины магнитной индукции посредством специальной двух-электродной лампы, называемой магнетроном.
При размещении магнетрона в магнитное поле с индукцией В0 , параллельной оси анода, под действием силы Лоренца произойдёт искривление траектории электронов. При достижении значения индукции Вок, называемого критическим, траектории движения настолько искажаются, что электроны не смогут дойти до анода. При этом будет наблюдаться резкое падение анодного тока. На крутизну характеристики (зависимости анодного тока от индукции) магнетрона влияют: неоднородность электрического поля; не параллельность нити накала оси цилиндрического анода, степень вакуума лампы и другие причины.
Как правило, разновидности таких ламп используют в качестве генераторов высокочастотных колебаний, однако их можно применить и для измерения магнитных полей.
Наиболее полные исследования приборов с магнетронами были выполнены во ВНИИМ [102]. Необходимо отметить, что приборы с магнетронами не получили широкого распространения для измерения слабых магнитных полей ввиду зависимости их показаний от сотрясений и из-за нестабильности цены деления.
Однако для измерения неоднородных полей магнетрон удобен из-за своих маленьких размеров. Так, например, с помощью магнетрона, имеющего длину цилиндрического анода всего 1-10" мм и длину спиральной проволоки катода 2-Ю"3 мм, удаётся измерить магнитное поле в масспектрометре в диапазоне 0,0R0,06 Тл [103]. По аналогии с магнетроном для измерения магнитных полей может быть использована и обычная трёх электродная лампа, если её поместить так, чтобы вектор В0 исследуемого магнитного поля был перпендикулярен электронному потоку лампы. О величине индукции магнитного поля, как и в случае с магнетроном, можно судить о величине анодного тока.
Наибольшее распространение из приборов данного типа в последние годы получили устройства с электроннолучевыми трубками, в которых отклонение луча вызывается исследуемым полем.
Основным элементом прибора является электроннолучевая трубка, которую помещают в исследуемое магнитное поле с индукцией В0. Магнитное поле концентрируется стержнями из магнитомягкого материала и через стеклянный корпус попадает на внутренние отклоняющие пластины, также из ферромагнитного материала. Если при некоторой величине В0 электронный луч сфокусировать на центральный анод, то при измерении этой величины луч будет отклоняться и попадать на боковые аноды, включены е через усилитель. Такой прибор можно применить и для компенсационных измерений.
Прибор с электроннолучевой трубкой может иметь небольшие габариты и настолько высокую чувствительность, что позволяет производить измерения колебаний магнитного поля Земли [104].
Электронно-оптический метод. Метод был предложен в 1949 году Мартоном [105]. Одним из основных вопросов, возникающих при применении этого метода, является расшифровка результатов наблюдений и определение поля на объекте.
Для определения неоднородностей показателя преломления в световой оптике широко применяется метод Фуко-Теплера [106,107] или метод свилей. Под свилями понимают местные нарушения плотности коэффициента преломления вещества. Возможность наблюдения свилевой картины определяется тем, что оптические неоднородности образца вызывают аномальный ход лучей в оптической системе. Свилевая методика может быть перенесена в область электронной оптики, где причинами, вызывающими отклонение электронов, являются местные электрические и магнитные неоднородности и где, следовательно, её применение позволяет выявить микронеоднородности распределения электрических и магнитных полей [108].
Физическая модель усиления магнитного поля отверстием
К материнской плате подключаются устройства, входящие в состав системного блока: центральный процессор (ЦП), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), накопитель на жёстком магнитном диске (НЖМД), привод компакт дисков «Real Only Memory» (CD-ROM), накопитель на гибком магнитном диске форм-фактора 3,5" (НГМД). К корневому разветвлению шины USB (USB - Hub) подключается цифровая фотокамера. Видеокарта служит для сопряжения системного блока с монитором.
Данное устройство преобразует информацию, находящуюся в видеопамяти, в сигналы кадровой и строчной развёртки дисплея (Д) (рис.2.6). К входу видеосигнала (видео) может быть подключен выход видеосигнала с цифровой фотокамеры. Устройство вывода алфавитно-цифровой и графической информации на бумажные носители (принтер) служит для вывода файла протокола экспертной оценки на печать.
Линии шин адреса (ША) и управления (ШУ) являются однонаправленными. В отличие от ША и ШУ шина данных (ШД) является двунаправленной. В определении тракта передачи данных могут принимать участие и управляющие сигналы, подсоединяющие или, напротив, блокирующие те или иные устройства ПК.
Микропроцессор формирует адрес, по которому хранится код операции команды, переводя в соответствующее состояние шину адреса. Код операции считывается из памяти по сформированному адресу и пересылается в микро 43 процессор. Команда дешифруется микропроцессором на выполнение одного из основных режимов: запись данных в память машины; чтение данных из памяти машины; пересылку данных в устройство ввода; чтение данных с устройства ввода/вывода.
Процессор представляет собой 64 - разрядную микросхему, с шиной данных вдвое большей ёмкости. В данном случае используется технология ММХ (Multi Media extensions), реализованная на архитектуре «SIMD»: «один поток команд - много потоков данных».
Операционная система Windows 2000 поддерживает стандарт Universal Serial Bus (USB), который разрабатывался для замены многочисленных параллельных соединений и серийных портов на старых машинах. Он позволяет повышать скорость передачи данных до 12 Мбит/с, что намного превышает возможности традиционных серийных портов, скорость которых, как правило, не превышает 115 Кбит/с. USB делает ненужными многие традиционные приёмы установки программ. Можно добавит принтеры, сканеры, цифровые фотокамеры и оборудование для видеоконференций. Раньше добавление этой периферии означало сложную и часто безуспешную установку драйверов устройств и долгую борьбу с несоответствиями Interruption Re Quest (IRQ). Windows 2000 поддерживает «горячее подключение», что означает возможность безопасно подключать и отключать новую периферию без выключения машины.
Передача картинки с экрана электронографа на компьютер осуществляется посредством цифровой фотосъёмки. Наиболее подходящей цифровой камерой, представленной на российском рынке, является HP Photo Smart С618, фирмы - Hewlett Packard. Данная фотокамера имеет разрешение снимков 1600x1200 (пикселей), которое сопоставимо по качеству с традиционной фототехникой. Для передачи данных на компьютер в камере используется USB - интерфейс, а для просмотра снимков видеовыход с RCA - коннектором. Управление с компьютера производится при помощи программы Digital Desktop.
Цифровая камера сохраняет изображение в цифровом формате на специальных носителях. Сердцем любого цифрового фотоаппарата является светочувствительная матрица CCD (Charge Coupled Device, то есть ПЗС - прибор с зарядной связью). Обычно в камерах используется 1/3 - дюймовая CCD, состоящая из элементов, преобразующих световые волны в электрические импульсы. Количество таких элементов колеблется от 350000 в камерах с разрешением 640x480 до 810000 и более в камерах 1024x768. сами матрицы не являются новым изобретением - родившись как оборудование для физиче 45 ских экспериментов (в частности в физике высоких энергий), они уже давно используются в видеокамерах.
Когда свет достигает ПЗС матрицы, он заряжает каждый из элементов -пикселей индивидуально. Эта зарядка в дальнейшем соответствует электрическому импульсу, и таким образом мы получаем в цифровой форме данные об освещённости каждого из пикселей. Поскольку невозможно записать полностью информацию обо всём изображении, то в дальнейшем оно подвергается обработке программным обеспечением для восстановления потерянных данных и записывается на магнитных носителях. Таким образом, цифровая фотография есть комбинация работы ПЗС матрицы, программного обеспечения и карт памяти.
Большинство камер использует последовательный (СОМ) порт компьютера для передачи изображений. Процесс этот, несмотря на низкую пропускную способность порта, не занимает много времени.
Взаимосвязь муаровых картин на дефектных пластинах с критериями прочности и разрушения
Анализ муаровых картин показал, что на бездефектных пластинах муаровый узор симметричный с меньшим количеством полос при неизменном токе и с большей их размытостью по сравнению с узорами от дефектных образцов [154]. В связи с этим, необходимо выявить определенные критерии оценки муаровых картин, которые явно будут свидетельствовать о наличии дефектов в проводниках [145]. Здесь целесообразно применить машинную обработку муаровых картин с применением вычислительной техники. Но прежде чем компьютер сможет перейти к вычислению тех или иных критериев, необходимо перевести муаровые картины в черно-белый формат, так как цифровая фототехника позволяет передавать до 256000 оттенков серого цвета, что существенно затруднит обработку изображений по заданным критериям. Поэтому перед машинной обработкой требуется фильтрация этих изображений.
В предложенной в главе 2 информационно-измерительной системе обработка информации заключается в подсчете пикселей - наименьших элементов поверхности рисунка, по которым можно находить и измерять координаты любой точки на плоскости. Для обработки графического материала предложены два алгоритма фильтрации изображения, в которой учтена яркость и размерность муаровой картины, полученной от неоднородных магнитных полей на дефектах в проводнике с током [153]. Под изображением понимается информация, организованная в виде некоторой числовой матрицы (в простейшем случае булевой), записанной на какой-либо машинный носитель и воспроизводящей свойства изображаемого объекта и деформации, которые связаны со способом и процессом получения изображения. Число различных значений, которые может принимать каждый элемент этой матрицы, равно некоторой целой степени числа 2. Под обработкой изображения понимается применение к нему системы преобразований, обеспечивающей извлечение из изображения полезной информации о свойствах исследуемого объекта или процесса. Алгоритм фильтрации является составной частью программного комплекса для информационно-измерительной системы и предназначен для улучшения качества снимков с изображением муаровых картин, полученных с помощью цифровой фототехники. Конечной цель работы данного алгоритма является выделение на полученной картине кривых, позволяющих установить связь между величиной напряженности магнитного поля и особенностями объекта, создающего это поле. Если все сканированные изображения будут иметь в среднем одинаковую яркость, то можно использовать следующий алгоритм: 1. Построение гистограммы уровней серого тона изображения в последовательности: а) присвоение элементам массива #(z)(0 = z = Z) нулевых начальных значений; б) For все пиксели Р изображения do: begin; в) увеличение H(f(P))im 1; где f(P) - значение пикселя Р, изменяющееся в диапазоне [0,L]; Н - массив гистограммы. 2. Нахождение максимального уровня серого цвета по построенной гистограмме в диапазоне цветов [0,120] (для изображения с 256 цветами), который используется в качестве граничного значения черного цвета при фильтрации изображения муаровой картины. 3. Фильтрация. Черный цвет устанавливается у тех пикселей, которые имеют цвет = граничное значение +Step, где Step задается пользователем (для изображения с 256 границами серого Step=13-15). В любом другом случае цвет пикселя белый. Результат работы предложенного алгоритма представлен на рис.4.1 Если изображения имеют очень низкую яркость, то при работе с данным алгоритмом появляется погрешность в толщине линий (рис.4.2). Достоинством данного алгоритма является высокая скорость. Однако, если средняя яркость изображений не является постоянной, то из-за погрешности следует использовать второй алгоритм, время работы которого примерно в 2 раза больше: 1. Вычисляется средняя яркость изображения. 2. Выбирается значение уровня серого тона для фильтрации по формуле 1 - {сред}іяяяркость) на базе вычисленной средней яркости изображения. 3. Пиксель включается в группу пикселей, которые будут отмечены как черные, если среди непосредственно прилегающих пикселей есть хотя бы один, яркость которого удовлетворяет условию: ((яркость = граничного значения или (яркость = яркость прилегающе-roStep)), где Step=l-2. При этом обязательно, чтобы выбранный прилегающий пиксель был уже включен в группу пикселей, которые будут отмечены черным цветом. 4. Все неотмеченные пиксели помечаются как белые. Результат работы такого алгоритма представлен на рис.4.3. Применение фильтрации в обработке информации муаровых картин увеличивает точность и объективность результатов, полнее извлекает информацию из экспериментальных данных и повышает темпы научных исследований. Картины электронно-оптических муаровых эффектов представляют собой сложный полигон, содержащий спектр критериев взаимодействия дефектов в проводниках с генерируемым в нем электромагнитным полем. Рассмотрим явно выраженные: асимметрию муарового изображения [152] и изменение его фрактальной размерности [154].
