Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Оптико-электронные системы контроля смещений 11
1.1 Классификация приборов и систем по методам контроля смещений 11
1.2 Системы, использующие законы лучевой оптики 12
1.2.1 Оптико-электронные системы, использующие коллимационный метод измерений 12
1.2.2 Оптико-электронные системы, использующие автоколлимационный метод измерений 21
1.2.3 Оптико-электронные системы, реализующие метод створных измерений 28
1.3 Системы, основанные на законах волновой оптики 39
1.4 Сравнительный анализ существующих решений и постановка диссертационной задачи 48
Глава 2 Теоретические основы построения многоточечной оптико-электронной системы контроля деформаций плавающего дока 52
2.1 Обобщенная модель ОЭС 52
2.1.1 Обобщенная структурная схема ОЭС 52
2.1.2 Обобщенная оптическая схема ОЭС 55
2.1.3 Обобщенная структурная схема преобразования сигналов в ОЭС 56
2.2 Построение профиля деформации корпуса плавающего дока 62
2.3 Построение системы отклонения лучей в ОЭС 64
2.4 Построение оэс на основе фотоприемных устройств с многоэлементными приемниками излучения 78
2.5 Основные результаты главы 2 89
Глава 3 Особенности построения оптико-электронной системы контроля деформаций плавающего дока 91
3.1 Оптическая схема многоточечной оптико-электронной системы контроля деформаций плавающего дока 91
3.1.1 Построение оптической системы КЭ 91
3.1.2 Построение оптической системы ББ 97
3.2 Устройство блока промежуточной обработки информации 103
3.3 Описание работы модуля управления источниками излучения 107
3.4 Алгоритмы программных средств 109
3.5 Основные результаты главы 3 116
Глава 4 Исследование экспериментальных свойств построения макета многоточечной оптико-электронной измерительной системы контроля деформаций плавающего дока 117
4.1 Расчет погрешности моэскд 117
4.1.1 Общие предпосылки расчета погрешности МОЭСКД 117
4.1.2 Расчёт предела допускаемой систематической составляющей основной погрешности 120
4.1.3 Расчёт случайной составляющей основной погрешности 124
4.1.4 Суммарная погрешность 126
4.2 Описание макета ОЭС контроля деформации 127
4.3 Исследование макета оптико-электронной системы контроля деформаций 129
4.4 Основные результаты главы 4 137
Заключение 138
Список литературы 140
Приложение 150
- Системы, использующие законы лучевой оптики
- Построение профиля деформации корпуса плавающего дока
- Устройство блока промежуточной обработки информации
- Описание макета ОЭС контроля деформации
Введение к работе
Оптико-электронные приборы и системы в силу ряда практически важных свойств и преимуществ все в большей степени внедряются во многие области науки и практики. Одной из важнейших задач, решаемых с помощью оптико-электронных приборов и систем, является задача измерения взаимных смещений элементов протяженных объектов и сооружений, например, плавающих доков, нефтяных платформ и мостов.
При постановке судна в плавающий док наиболее опасным в аварийном отношении является момент всплытия дока с поставленным в нем судном и процесс проведения работ в доке. В этот момент аварийная ситуация может возникнуть вследствие особо опасных деформаций дока. Даже небольшие превышения допустимых поперечных смещений элементов конструкций могут привести к разрушению дока вместе с поставленным в нем судном.
В большинстве случаев контроль деформаций протяженных конструкций длиной до нескольких десятков или сотен метров необходимо осуществлять в достаточно жестких условиях эксплуатации, которые заключаются в значительных и резких перепадах температуры окружающей среды (от -40 С до +50 С), повышенной влажности, воздействии осадков, различного рода электромагнитных помех промышленного происхождения, а также оптических помех (солнечное излучение, вспышки электросварки, искусственное освещение и т.п.). При этом диапазон контролируемых поперечных смещений составляет несколько сотен миллиметров, а погрешность измерений не должна превышать порой 10 миллиметров.
Разработанные и воплощенные на данный момент средства контроля прогиба доков с помощью визуальных оптических систем, различных электромагнитных и гидродатчиков имеют недостаточную точность, низкую надежность и не позволяют одновременно контролировать прогиб носа и кормы.
На основании вышеизложенного проведение необходимых исследований с целью построения и функционирования оптико-электронных систем контроля прогиба представляется весьма актуальным.
Выбранное направление определило следующие задачи исследований:
Анализ и классификация существующих оптико-электронных средств контроля смещений.
Формирование обобщенной модели многоточечной оптико-электронной системы контроля деформаций (МОЭСКД) с единым полем анализа.
Разработка методик выбора и расчета параметров МОЭСКД.
Оценка влияния основных источников погрешности в МОЭСКД и определение путей их ослабления.
Создание макетов блоков, разработка методик и проведение экспериментальных исследований характеристик МОЭСКД.
Структурно работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.
В первой главе проведен анализ существующих технических решений задачи контроля смещений протяженных объектов и сооружений. Выводы, сформулированные в данной главе, определяют цели и задачи работы и подтверждают её актуальность.
Во второй главе сформулированы и исследуются теоретические особенности построения МОЭСКД плавающего дока с единым матричным полем анализа.
В третьей главе разработана методика габаритно-энергетического расчета оптических систем МОЭСКД, описаны отдельные блоки и модули МОЭСКД, выделены основные функции, выполняемые блоками и модулями системы, их принципы действия. Приведены алгоритмы программ управления блоком промежуточной обработки информации и модулем управления источниками излучения.
В четвертой главе приводится анализ погрешностей контроля смещений, описание различных вариантов построения измерительного стенда и полученные экспериментальные результаты. Рассмотрен принцип действия и устройство двух вариантов реализации экспериментальной схемы построения макета оптико-электронной системы с использованием матричных приемников оптического излучения. Описаны экспериментальные исследования по сравнению ПЗС и КМОП-приемников, влиянию поворота базового блока на положение энергетического центра изображения контрольного элемента.
В заключении делаются выводы о проделанной работе и приводятся её результаты.
Краткая формулировка научной новизны работы.
В диссертации исследованы особенности построения МОЭСКД, разработаны методики выбора и расчета параметров оптической системы с единым матричным полем анализа в условиях наличия нерегистрируемых поворотов элементов, определены пути уменьшения составляющих погрешности при обработке измерительной информации, разработаны методики исследования характеристик МОЭСКД.
Основные результаты, выносимые на защиту:
Обобщенная модель построения МОЭСКД с единым полем анализа.
Построение МОЭСКД, основанной на сопряжении единого матричного поля анализа с оптической системой и цифровой обработке изображений контрольных элементов (КЭ), жестко закрепленных в точках контроля.
Результаты сравнительного анализа возможностей применения различных твердотельных матричных приемников оптического излучения для создания единого поля анализа в МОЭСКД.
Инвариантные к поворотам схемы построения оптической системы, сопряженные с единым полем анализа.
Методика выбора и расчета основных параметров оптических систем МОЭСКД с учетом поворотов блоков, входящих в систему.
Методика проведения экспериментов по исследованию влияния
параметров (яркости источника и размера апертурной диафрагмы) КЭ на погрешность МОЭСКД с различными матричными приемниками.
7. Результаты анализа основных источников погрешности в МОЭСКД и пути ослабления их влияния.
Практические результаты работы:
Обобщенная модель МОЭСКД, позволяющая рационализировать выбор структуры в соответствии со схемой контроля деформаций.
Применение инвариантных оптических систем, сопрягаемых с единым матричным полем анализа и ослабляющих влияние нерегистрируемых поворотов элементов МОЭСКД.
Рекомендации по применению в МОЭСКД твердотельных матричных приемников на основе ПЗС и КМОП-структур.
Методика энергетического расчета оптических систем МОЭСКД и выбора их основных параметров.
Модернизированные схемные и алгоритмические решения, адаптированные к практическому применению.
Конструкции блоков МОЭСКД.
Макеты блоков МОЭСКД с управляемыми источниками оптического излучения.
Реализация результатов работы отражена тремя актами внедрения разработанных методик энергетического расчета, выбора элементов оптико-электронной системы. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке студентов по специальности 19.07.00 «Оптико-электронные приборы и системы», при разработке лабораторной установки "Исследование оптико-электронной системы контроля прямолинейности", а также в научно-исследовательских работах.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на одиннадцати конференциях, в том числе пяти международных, таких как V международная конференция "Прикладная оптика" 2002 года,
международный оптический конгресс «Оптика XXI век», III международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика-2003», IV международная конференция молодых ученых и специалистов "Оптика 2005", VII Международная конференция "Прикладная оптика-2006".
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 84 наименований. Общий объем работы составляет 149 страниц, включая 74 рисунка и 4 таблицы. Работа выполнена на кафедре оптико-электронных приборов и систем «Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий механики и оптики».
Системы, использующие законы лучевой оптики
Коллимационный метод эффективен при выверке направляющих путей большого протяжения или при установке оборудования в проектное положение непосредственно по базовым точкам.
Основными приборами, которые реализуют коллимационный метод, являются: зрительная труба с окулярным или оптическим микрометром, устанавливаемая на одной из исходных точек; коллиматор, передвигаемый по выверяемой линии или устанавливаемый на промежуточные точки; коллиматор (марка) на противоположном конце дистанции для ориентирования трубы (рис. 1.1).
Принцип действия прибора ППС-7 (рис. 1.2) Ленинградского оптико-механического объединения (СССР) основан на схеме коллимационного метода.
Оптическая схема прибора ППС-7 (рис. 1.2) состоит из коллиматора А и зрительной трубы В. Пучок лучей от источника света / через матовое стекло 2 и конденсатор 3, освещая сетку 4, находящуюся в фокальной плоскости объектива коллиматора 5, проходит через марку 6, плоскопараллельную пластинку 7 оптического микрометра, объектив зрительной трубы 8-9 и строит на сетке 10 изображение сетки коллиматора. Обе сетки рассматриваются через ломаный под 90 окуляр 13, оборачивающую систему 12 и пентапризму 11. Отклонения положения центра марки 6 от визирной оси зрительной трубы измеряют оптическим микрометром. Пределы измерений +0,5 мм; цена деления отсчетного устройства 0,01 мм, фокусное расстояние объектива зрительной трубы 176 мм; увеличение 20х; фокусное расстояние объектива коллиматора 265 мм.
Кроме систем визуального наблюдения существуют оптико-электронные системы (ОЭС) с оптической равносигнальной зоной (ОРСЗ) (рис. 1.3), разработанные в «СПбГУ ИТМО» на кафедре оптико-электронных приборов и систем (ОЭПиС). Принцип ОРСЗ разработан специально для систем, предназначенных для определения смещений объекта.
Рассмотрим устройство и работу ОЭС с ОРСЗ (рис. 1.3), построенной на анализе оптической информации с использованием пространственной зависимости параметров. информации
В такой системе [71] излучатели 1 и 2, управляемые блоком управления 4, освещают грани прямоугольной призмы 3, ребро которой расположено в фокальной плоскости объектива 5. При этом в его фокальной плоскости создается распределение освещенности в виде функций: где x - координата, соответствующая определенному смещению, о - функция единичного скачка; т - дополнительная координата, позволяющая физически различать компоненты Е\ и Ег распределения (рис. 1.4, а), а также их образы Е\] и Ег, получаемые в результате отображения пространства предметов на пространство изображений (рис. 1.4, б). а - компоненты распределения облучённости в пространстве предметов; 6-их отображения в пространстве изображений
Равносигнальной точкой называется точка пространства изображений, в которой Е\\т\)=Е22(т2) при соответствующих значениях т. Все множество равносигнальных точек образует равносигнальную поверхность.
Анализирующая диафрагма 6 (рис. 1.3) вырезает часть пучка, которая попадает на приемник оптического излучения 7. В последнем вырабатывается электрический сигнал, из которого в блоке обработки 8 извлекается измерительная информация и подается на устройство отображения 9.
В качестве координаты т может в принципе использоваться любой параметр оптического излучения. Наиболее часто используется частота [70] или фаза [20] временной модуляции излучения. В импульсной ОЭС возможно различение компонент по времени излучения [1]. В отдельных случаях может требоваться наличие или отсутствие электрической связи между блоками управления и обработки.
В настоящее время выпускается множество лазерных инженерно-геодезических приборов (специальных визиров, нивелиров, теодолитов, приборов вертикального проектирования, указателей направления и др.), которые могут быть использованы для контроля прямолинейности и соосности, вертикального проектирования, горизонтальной и наклонной планировки. Рассмотрим принципиальные схемы, конструктивные особенности и технические характеристики некоторых из них. Во всех этих приборах в качестве горизонтального референтного направления (РН) служит ось соответствующим образом коллимированного лазерного светового пучка.
Для задания РН и контроля положения строительных механизмов и машин, для контроля прямолинейности подкрановых путей и направляющих, для установки строительно-монтажных конструкций в проектное положение и других видов инженерно-геодезических работ в строительстве отечественной промышленностью освоен выпуск лазерных визиров ЛВ-5 (рис. 1.4), ЛВ-5М, ЛВ-78 и лазерных указателей направления ЛУН. Все лазерные визиры состоят из двух основных частей: передающей и приемной. Передающая часть прибора - лазерный излучатель - служит для формирования опорного луча или плоскости и ориентирования их в заданном направлений; приемная часть (экран-марка, фотоэлектрическое регистрирующее устройство) - для регистрации луча и определения координат контролируемого объекта. Для контроля прямолинейности и плоскостности в МИИГАиК разработан высокоточный лазерный измеритель поперечных смещении ЛИПС-1, имеющий следующие основные параметры диапазон измеряемых поперечных смещений ±3 мм, длина контролируемого створа 100 м, чувствительность 0,02 мм. Прибор позволяет определять плановое и высотное положение контролируемых точек и осуществлять вертикальное проектирование, т.е. может быть использован как надир- и зенит-центрир, задавать в пространстве вертикальную и горизонтальную опорные плоскости разверткой лазерного пучка. Отличительной особенностью прибора ЛИПС-1 является то, что измерения производятся относительно РН, задаваемого в пространстве сканирующим лучом с использованием амплитудно-фазового метода.
Комплект аппаратуры ЛИПС-1 (рис. 1.5) состоит из трех основных частей: излучателя /, измерительной фотоэлектрической и опорной марок // и ///.
Излучатель состоит из оптико-механической части, электронного блока управления и блока питания. Оптико-механическая часть включает: источник излучения / - лазер ЛГ-78; поворотную плоскопараллельную пластину 2, отклоняющее зеркало 3; формирователь пучка в виде телескопической системы, состоящей из окуляра 4, установленного в пружинном подвесе, и объектива 77,. зеркало 5, установленное в фокальной плоскости объектива и закрепленное на электромеханическом вибраторе 6; призму Дове 9 во вращающейся оправе; полупрозрачное зеркало 10; фотодетектор обратной связи 7 и две пентапризмы: нижнюю 12, закрепленную в маятниковом подвесе, и верхнюю 13 с оправой в подшипниках качения. Прибор оснащен продольным цилиндрическим уровнем 8 с ценой деления 5", а исполнительным устройством обратной связи является двигатель ДИД-0,5, смещающий посредством кулачкового механизма окуляр в плоскости, перпендикулярной к оптической оси.
Построение профиля деформации корпуса плавающего дока
Построение профиля деформации корпуса плавающего дока
Под действием внешних и внутренних сил сооружения и конструкции претерпевают деформации как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении [40]. Смещения, происходящие в горизонтальном направлении, называются сдвигом сооружений или конструкции. Вертикальные смещения, направленные вверх, называются подъемами (выгибами), а вниз - осадками (прогибами) [23].
Плавающий док имеет сложную конструкцию (рис. 2.6). Он состоит из понтона, в состав которого входят балластные танки и емкости, башней с топ-палубами, кильблоков, размещенных на стапель-палубе. Плавучесть дока обеспечивает понтон, с помощью которого док можно затапливать и поднимать, закачивая воду в балластные танки и цистерны или выкачивая воду из них.
Многоточечные измерения плавающего дока (рис. 2.7) позволяют зафиксировать линейные смещения по длине конструкции, что дает возможность построить профиль деформации конструкции. Ю2 і Рис. 2.6. Схематичный вид понтона (а), положение дока в ненагруженном состоянии (идеальное) (б), док в нагруженном состоянии (в)
В теории сопротивления материалов для определения величины прогибов сечения конструкции методом начальных параметров применяют универсальное уравнение в виде: где Е - модуль упругости материала конструкции; Jx - момент инерции сечения конструкции относительно оси х; уо, 0о - прогиб и угол поворота сечения конструкции в начале координат; Z - расстояние от начала координат до рассматриваемого сечения конструкции, прогиб которого определяют; M,P,q-соответственно сосредоточенные моменты, силы и равномерно распределенные нагрузки, приложенные к конструкции; а,Ь,с- расстояние от начала координат до точки приложения М, Р, q соответственно.
В выражении (2.1) прогиб зависит от четвертой степени дистанции, поэтому можно записать выражение профиля деформации конструкции полиномом четвертой степени:где h(z) - прогиб (деформация) конструкции на дистанции z; kt -коэффициенты, определяемые в результате измерения смещений БИОИ в контролируемых точках; z - расстояние от начала координат (БПОИ) до рассматриваемого сечения конструкции, смещение которого определяют.
Построения профиля деформации конструкции (выражение (2.2)) состоит из следующих процессов: определение профиля деформации конструкции в ненагруженном состоянии (начальный профиль h0(z), рис. 2.7 б); определение профиля деформации конструкции в нагруженном состоянии (суммарный профиль h(z), рис. 2.7 в); определение профиля истинной деформации конструкции в нагруженном состоянии: /z(z)-/z0(z).
На обобщенной схеме (рис. 2.1) присутствует система отклонения лучей. Основная функция системы отклонения лучей (СОЛ) состоит в изменении направления оптического излучения на 90 от КЭ, расположенных в контролируемых точках. Рассмотрим варианты построения схемы СОЛ в створных ОЭС.
СОЛ могут быть построены с помощью зеркально-призменных систем [37]. Плоские зеркала и зеркальные системы обычно применяются в тех случаях, когда велики поперечные габаритные размеры хода лучей в месте расположения отражающих элементов, требуется малая масса оптической системы, отсутствие хроматизма и малые светопотери в широкой области спектра. Когда же необходима наименьшая расстраиваемость отражательныхэлементов, расположенных в узком сечении световых лучей, целесообразно применение призм и призменных систем [63].Зеркальные системы удобны в плане математического описания, поэтому рассматривать принципиальные особенности построения оптических схем двухканальной оптико-электронной измерительной системы контроля прогибов плавающего дока с кадровым анализом, будем на основе таких систем.
Все существующие зеркальные системы можно представить в виде комбинации трех элементарных зеркальных систем: одиночного зеркала, углового зеркала, зеркального ромба. Зеркальный ромб приводит лишь к смещению оптической оси системы на двойной линейный базис (двойное расстояние между его зеркалами по направлению орта нормали первого по ходу лучей зеркала) [63], поэтому будем рассматривать только одиночное и угловое зеркало.
Рассмотрим всевозможные варианты построения СОЛ с использованием одиночного и углового зеркал [27]. Таких вариантов три: два одиночных зеркала (ДОЗ) 1-2 (рис. 2.8, а), два угловых зеркала (ДУЗ) 3-4 (рис. 2.8,6), одиночное и угловое зеркало (ОУЗ) 1-4 (рис. 2.8, в). СОЛ должна изменять направление оптических лучей на 90 по обоим каналам, поэтому условимся считать начальным положение, изображенное на рис. 2.10. Отражающая поверхность одиночного зеркала 1 расположена под углом 45 к оси z, а отражающая поверхность одиночного зеркала 2 - под углом минус 45 к оси z неподвижной системы координат (СК) xyz. Угол между отражающими поверхностями угловых зеркал 3 и 4 составляет 45. Первая по ходу луча отражательная поверхность углового зеркала 3 составляет угол минус 22,5 с осью z, а отражательная поверхность углового зеркала 4 - 22,5 с осью z неподвижной СК xyz [29].Рассмотрим поведение ортов А и В (орт А характеризует направление отраженного луча, орт В - вертикальное смещение изображения КЭ) после отражения повернутой относительно координатных осей х, у, z неподвижной СК xyz СОЛ. Введем дополнительную, так называемую лучевую СК Хлулгл (рис. 2.9), которая поворачивается вместе с СОЛ. Следует также учесть, что плоскость изображения х$л (в выбранной лучевой СК) жестко связана с СОЛ, поэтому в процессе разворотов плоскость Хдул разворачивается вместе с рассматриваемыми зеркальными системами.В качестве математического аппарата будем использовать матричное исчислениеРис. 2.9. Варианты поворотов лучевой системы координат хлулгл относительно неподвижной системы координат xyz: а) вокруг оси х на угол б, б) вокруг оси у на угол в, в) вокруг оси z на угол гРассмотрим поведение ортов А и В для системы ДОЗ.
Орты направления отраженных лучей А11 и А г и орты вертикальных смещений изображений КЭ В ї и В г после поворота СОЛ относительно осей х, у,гв неподвижной СК xyz определяются по формуле [64]:
Устройство блока промежуточной обработки информации
Блок промежуточной обработки информации (БПОИ) МОЭСКД должен осуществлять передачу результатов промежуточной обработки вычисленных координат энергетического центра изображений в приборной системе координат. Через электрические разъемы БПОИ связан кабелем с ББ, блоком питания и согласующим модулем (СМ), размещенном в персональном компьютере ПЭВМ. БПОИ реализован на основе однокристальных микроЭВМ с возможностью адресации внешнего оперативного запоминающего устройства (ОЗУ). БПОИ реализует цифровую обработку видеосигнала и включает в себя программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС), аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), буферную память, микроконтроллер, интерфейс RS-485, микросхема выделения сигналов, блок управления записью и блок питания.ПЛИС DD1 (рис. 3.6) - типа EPM7128SQC100-15 семейства МАХ7000 фирмы ALTERA.АЦП DA1 - интегральный, типа AD775, производства Sony; имеет 8 разрядов и частоту дискретизации до 20 МГц; используется специально для оцифровки видеосигнала.Буферная память DD2 - статического типа (SRAM), объемом 128 Кбайт, типа СХК581000Р. Время выборки - 60 не.
Микроконтроллер DD3 - типа АТ89С2051, производства фирмы ATMEL. Микроконтроллер имеет встроенную флэш-память программ объемом 2 Кбайт, ОЗУ данных объемом 128 байт, 2 параллельных порта ввода-вывода, один последовательный порт. Допускает возможность замены на более совершенные микроконтроллеры при необходимости увеличения вычислительных ресурсов. Работу микроконтроллера обеспечивает внешний кварцевый резонатор Ql, С1, С2 и схема сброса С4.
Интерфейс RS-485 выполнен с использованием специализированной микросхемы МАХ485 (DD4).
Микросхема выделения сигналов LM1881 (DA2) - схема выделения импульсов синхронизации извлекает четное и нечетное поле из кадра стандартного видеосигнала.
Блок питания собран на основе интегрального параметрического стабилизатора КРЕН5А (DA3) с выходным напряжением 5 В.
Блок управления записью реализован на ПЛИС. На один из входов ПЛИС поступают тактовые импульсы с камеры, на другой вход - строчные импульсы. Внутренняя структура ПЛИС представляет собой два 9-разрядных двоичных счетчика. Таким образом, один из счетчиков формирует адрес элемента в строке в диапазоне от 0 до 511, а второй - адрес строки в диапазоне от 0 до 511.
Одновременно с формированием адреса осуществляется аналого-цифровое преобразование видеосигнала с помощью АЦП DA1, который тактируется тактовыми импульсами, приходящими с синхрогенератора телевизионного датчика. Шина АЦП подключена к шине данных оперативного запоминающего устройства, которое также тактируется тактовыми импульсами с синхрогенератора. Таким образом, в течение одного кадра обеспечивается аппаратная запись оцифрованного видеосигнала в ОЗУ. По окончании ввода кадра микроконтроллер переключает коммутатор в состояние, когда управление ОЗУ осуществляется со стороны микроконтроллера. При этом блокируется запись в ОЗУ, и микроконтроллер способен обращаться к оцифрованному видеосигналу. Для этого все входы счетчиков подключаются к портам микроконтроллера, который программно считывает информацию из ОЗУ для предварительной обработки. Обработка включает в себя поиск максимального элемента в массиве изображения, который соответствует центральному элементу сигнала, и затем вычисление каждой из двух координат изображения по алгоритму определения энергетического центра тяжести изображения.
Работают оба устройства в соответствии с программным обеспечением микроконтроллера. При этом имеется три основных режима: режим записи кадра; режим обработки видеоданных; передачи информации.Режим записи кадра обеспечивается в случае поступления соответствующей команды от ЦУП. Само переключение происходит не в момент получения команды, а с приходом ближайшего кадрового синхроимпульса с камеры, который сигнализирует о начале очередного кадра. С приходом следующего кадрового синхроимпульса текущий кадр заканчивается, и микроконтроллер переключает коммутатор в исходное состояние.
Работа интерфейса RS-485 осуществляется следующим образом. Микросхема МАХ485 имеет две линии А и В для внешнего подключения RS-485 и три линии для подключения к микроконтроллеру, среди которых имеется выходная линия для подключения к входу RXD микроконтроллера, входная линия для подключения к выходу TXD микроконтроллера и вход управления направлением приема/передачи, который подключается к еще одному выходу микроконтроллера.
В системе имеется только одно активное устройство - управляющий ЦУП. Это означает, что инициировать обмен может только он. Основное состояние интерфейса периферийного устройства - прием информации, то есть его выходы находятся в высокоимпедансном состоянии и ждут прихода сигнала со стороны активного устройства. При необходимости передать команду активное устройство формирует ее и посылает по линии связи. Все пассивные устройства принимают команду и анализируют ее, но выполняет команду только одно периферийное устройство, адрес которого совпадает с адресом, содержащимся в команде.
В случае если команда предполагает обратную передачу информации, то после передачи этой команды активное устройство переключается на прием, а пассивное устройство, приняв команду, переключается на передачу и отправляет данные активному устройству. Для этого микроконтроллер переключает направление приема/передачи микросхемы МАХ485.
Поскольку КЭ может быть больше двух, предлагается реализовывать в МОЭСКД модули управления источниками излучения (МУИИ), представляющие собой микропроцессорное устройство на основе микроконтроллера АТ89С2051 (DD1) (рис. 3.7). Принцип регулирования яркости излучающих диодов основан на использовании широтно-импульсного модулятора с последующим интегрированием напряжения на конденсаторах и усилением постоянного аналогового напряжения, которое преобразуется в ток. Этим током питается излучающий диод. Блок имеет два идентичных независимых канала управления излучающими диодами.
Описание макета ОЭС контроля деформации
Приемная часть макет оптико-электронной измерительной системы построена с использованием взаимозаменяемых твердотельных матричных структур: матриц фоточувствительных ПЗС и КМОП-структур.
Возможность использования ПЗС и КМОП матриц объясняется тем, что для них характерна жесткая геометрическая привязка фоточувствительных элементов растра к приборной системе координат (по сравнению с другими видами телевизионных преобразователей), что существенно облегчает задачу построения измерительной аппаратуры с высокой стабильностью метрологических характеристик. В тоже время, в связи с развитием современной элементной базы, ПЗС и КМОП легко интегрируются с различными микропроцессорными системами и персональными электронными вычислительными машинами (ПЭВМ), что позволяет проводить цифровую обработку изображения с целью извлечения измерительной информации, а также проектировать оптико-электронные системы.
Макет оптико-электронной системы контроля деформации на ПЗС включает в себя (рис. 4.1 а) телевизионный датчик (ТВД) с матрицей ПЗС, КЭ, модуль управления источником излучения (МУИИ) контрольного элемента, блок промежуточной обработки информации (БПОИ), центральный управляющий прибор (ЦУП) [32].МУИИ предназначен для изменения яркости источника излучения (ИИ), в качестве которого используется полупроводниковый излучающий диод (ПИД), располагающийся в КЭ.ТВД предназначен для преобразования яркости оптического излучения ПИД контрольного элемента в электрический сигнал (в нашем случае в видеосигнал).
БПОИ предназначен для получения промежуточных измерительных данных.В состав блока с ЦУП включен согласующий модуль (СМ). СМ преобразует формат стандарта передачи данных из RS-485 в RS-232, для обеспечения связи с ЦУП, выполненного на базе ПЭВМ. Использование интерфейса RS-485 предполагает наличие всего двух линий для осуществления связи. Для обеспечения питания приборов, входящих в состав ОЭС, требуется еще две линии. Таким образом, линия связи, объединяющая ТВД и ЦУП, имеет 4 линии.Кроме этого схема измерения ТВД с ПЗС может быть построена следующим образом (рис. 4.1 б), тогда в состав ЦУП входит еще и плата видеозахвата.В ТВД с КМОП-приемником (рис. 4.1 б) нет необходимости использовать БПОИ, т.к. уже в самом ТВД сформирован оцифрованный видеокадр, а вся необходимая обработка информации происходит в ЦУП.КЭ представляет собой коллиматор, выполненный в виде объектива и источника излучения (используется ПИД), расположенного в его фокальной плоскости. КЭ реализует коллимационную схему измерений, представленную на рис. 4.2.
На ПОИ /, находящийся в ТВД 2, через объектив 3 проектируются изображение входного зрачка объектива 4, облученного полупроводниковым излучающим диодом б контрольного элемента КЭ 5. Далее происходит обработка видеосигнала: нахождение энергетического центра по формулам (3.21), (3.22). Для каждого измерения производится по 30 отсчетов [36].
Целью экспериментов являются сравнительные исследования СКО определения энергетического центра изображения КЭ для матричных ПОИ: ПЗС и КМОП-приемников. Кроме этого было исследовано влияние поворотов ББ на результаты измерений положения КЭ.
Сравнительные исследования матричных ПОИ проводились на оптической скамье типа ОСК-2 4 (рис. 4.3), на которой были установлены оптическая головка 2 и КЭ 5 активного типа, закрепленные в специальных штативах 3, 7. Оптическая головка была электрически связана с БПОИ, информация с которого поступала в персональный компьютер (ПК) 1. Источники излучениячерез МУИИ управлялись ПК. Работа с БПОИ и МУИИ обеспечивались источником питания БП и программой ПК [32].Максимальное расстояние между оптической головкой 2 (рис. 4.3) и КЭ 5 определялась длиной оптической скамьи и составляла 6 м.
Штатив оптической головки имеет три микрометрических винта, с помощью которых можно осуществлять повороты в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
На штативе КЭ закреплен двухкоординатный столик 6 (рис.4.3) с микрометрическими винтами, с помощью которых с погрешностью 0,01 мм задается требуемое смещение. Максимальный диапазон смещений отражателя в вертикальном направлении Очі5 мм.
На телевизионный датчик, находящийся в приёмном блоке 2, объективом проектируются изображение КЭ 5. В качестве телевизионного датчика в приемном блоке были установлены матричные ПОИ на ПЗС марки ICX259AL производства фирмы SONY и на КМОП-структуре OV5610 фирмы Omni Vision. Матрица ICX259AL имеет формат 795x596 элементов и размер элемента 6,5x6,25 мкм. Матрица OV5610 имеет формат 2592x1944 элементов и размер элемента 2,775x2,775 мкм.
Сформированный ТВД видеокадр передается в БПОИ, находящийся в непосредственной близости от ТВД. В БПОИ захваченный кадр оцифровывается с помощью восьмиразрядного АЦП. БПОИ связан через блок интерфейса с ПК 7, выполняющим функции обработки, отображения ихранения измерительной информации, а также управления процессом сбора измерительной информации. Для КМОП-приемника оцифрованный сигнал передается непосредственно в ПК /, который выполняет вышеописанные функции.
Исследования по определению энергетического центра изображения КЭ на МПИ при постоянной яркости ИИ представлены на рис. 4.4 и 4.5. « центра изображения КЭ на КМОП-приемнике по вертикали от дистанцииАнализируя экспериментальные данные (рис. 4.4 и рис. 4.5) видно, что с увеличением дистанции растет погрешность измерения вертикальныхсмещений. Зависимость СКО определения энергетического центра изображения КЭ от дистанции можно аппроксимировать линейной функцией, причем крутизна находится в пределах 0,0001-Ю,0003 мкм/мм, к тому же для ПЗС крутизна почти в 2 раза меньше по сравнению с КМОП-приемниками.Исследования зависимости положения энергетического центра изображения КЭ при изменении яркости ПИД для ПЗС и КМОП-приемника на различных дистанциях (2 м, 4 м, 5 м) представлены на рис. 4.6 и рис. 4.7 [30].
