Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Методы контроля полостей 9
1.1 Физические основы и классификация методов контроля 9
1.2 Визуальные оптические методы контроля полостей 13
1.3 Визуальные оптические приборы для контроля крупногабаритных полостей 20
Выводы по главе 1 30
Глава 2. Анализ энергетических соотношений в системах контроля полостей с панорамным зеркально-линзовым компонентом 31
2.1 Принципы построения систем контроля полостей с ПЗЛК 31
2.2 Энергетическое уравнение тепловизионных систем контроля полостей 34
2.3 Энергетическое уравнение телевизионных систем контроля полостей 46
2.4 Энергетическое уравнение систем контроля полостей, работающих по методу зонда 52
2.5 Энергетическое уравнение систем контроля полостей, работающих по методу сечений 56
Выводы по главе 2 63
Глава 3. Методика расчета конструктивных параметров системы контроля полостей с ПЗЛК, работающей по методу сечений 65
3.1 Описание устройства системы контроля полостей с ПЗЛК, работающей по методу сечений 65
3.2 Формула измерений текущего радиуса-вектора полости 69
3.3 Частные погрешности системы контроля полостей 74
3.4 Выбор геометрических параметров системы контроля полостей, работающей по методу сечений 77
3.5 Оценка влияния погрешностей установки элементов сканирующей системы 83
3.6 Рекомендации по калибровке системы контроля полостей, работающей по методу сечений 89
3.7 Рекомендации по расчета оптической системы контроля полостей с ПЗЛК 91
Выводы по главе 3 102
Глава 4. Моделирование и макетирование оптико-электронной системы контроля полостей 105
4.1 Оценка погрешности установки элементов сканирующей системы 105
4.2 Оценка энергетических соотношений в системе 109
4.3 Режимы работы с различными углами приема излучения 111
4.4 Исследование различных режимов сканирования 115
Выводы по главе 4 116
Заключение 117
Список литературы 119
Приложения 128
- Визуальные оптические методы контроля полостей
- Энергетическое уравнение тепловизионных систем контроля полостей
- Формула измерений текущего радиуса-вектора полости
- Оценка энергетических соотношений в системе
Введение к работе
При решении ряда научно-технических и научно-исследовательских задач часто возникает необходимость проведения оценки качества поверхностей [54,58]. Под ней следует понимать исследование структуры, формы, обнаружение микро- и макродефектов, трещин, прогаров, очагов коррозионного поражения, дефектов покрытий, проверка правильности расположения деталей и т.д.
Задача контроля многократно усложняется в случае необходимости исследования поверхностей внутренних полостей.
Детали и механизмы современных приборов становятся все более и более сложными и дорогими, и все более возрастают требования к их надежности. Многие детали в процессе работы подвергаются воздействию тепловых и механических нагрузок [61]. Химические отложения являются причиной появления коррозии. Все это ведет к износу детали. Признаки изнашивания обычно появляются внутри предмета, и увидеть их снаружи нелегко. Визуальное исследование нередко позволяет заранее обнаружить и принять своевременно необходимые меры до того, как проявится серьезное повреждение. Хорошим примером служит авиационная техника: из соображений безопасности реактивные двигатели следует подвергать регулярной проверке. Прибор для контроля внутренних полостей позволил бы проверить состояние двигателя, не прибегая к его разборке [56]. Другим примером является автомобильная промышленность: разборка мотора грузового автомобиля может потребовать целого дня - слишком дорого, особенно учитывая, что дефекта может и не оказаться. Если при исследовании дефекта не обнаружено, то не затрачивается время на разборку двигателя. Если повреждение обнаружено, то необходимо
разобрать и отремонтировать только те детали, которые в этом нуждаются [17,2L76J.
В наше время часто встречается проблема разрушения памятников, старых зданий, деревянных конструкций. Важную роль играет раннее обнаружение повреждения, его анализ или выявление обусловивших его причин во время проведения реставрационных работ. Во многих случаях при помощи визуального исследования несложно определить, есть ли где-нибудь ржавчина, не коррозированы ли несущие опоры, в каком состоянии деревянные балки.
Перспективным направлением для гражданской инженерии сейчас является разработка приборов для исследования коллекторов туннелей и вентиляционных шахт. Например, на предмет проникновения и распространения грунтовых вод, разрушения стен и потолка, а также построения профиля поверхности. Туннели требуют специального исследования для подтверждения возможности беспрепятственного движения по ним транспорта. Использование специального прибора с применением возможностей современных компьютеров позволит эффективно решить данные проблемы.
Постоянному исследованию должны подвергаться внутренние поверхности труб нефте- и газопроводов, шахты, дымоходы, сопла ракет, стволы артиллерийских орудий и т.д.
И, наконец, следует упомянуть о таких интересных способах применения приборов для исследования внутренних полостей как исследование пещер, подземных ходов, фотографирование моделей будущих зданий и сооружений с точки зрения пешехода, а также художественная фотография.
Для неразрушающего контроля внутренних полостей традиционно используется множество методов, основанных на различных физических
явлениях. В зависимости от поставленной задачи тот или иной метод может быть более или менее эффективен. Однако наиболее универсальными по-прежнему остаются визуальные оптические методы контроля. Они наиболее удобны для восприятия, более информативны, а современные технологии позволяют создавать оптические приборы, позволяющие контролировать полости самых разных размеров и получать изображение хорошего качества.
В настоящее время известен ряд оптических систем, позволяющих исследовать полости больших диаметров (до 4-5 метров) [3,4,24,54]. В них для мгновенного обзора полости используются различные оптические элементы, в частности, широкоугольные объективы, сферические зеркала с компенсаторами и т.д. [16,37,63,65,67,78,79] Широкие перспективы в разработке таких систем открываются при использовании панорамной оптики [1,2,7,13,15,18,37,74]. В последние годы появились панорамные системы с кольцевым угловым полем, построенные с применением так называемых PAL-линз (от английского Panoramic Annular Lens - панорамная кольцевая линза), которые мы впоследствии будем называть панорамными зеркально-линзовыми компонентами (ПЗЛК) [5,6,8,10,11,12,20,36]. Преимущества их использования в системах контроля сравнительно крупногабаритных полостей представляются очевидными. Как показано в наших исследованиях [33,34,53,73], ПЗЛК обеспечивает построение изображения полости в широком угловом поле в виде кольца, размеры которого соответствуют азимутальному углу 360 и высотному углу от 20 до 110. Механическое сканирование при этом исключается. Параметры ПЗЛК можно адаптировать в зависимости от размеров полости, требуемого углового поля по высоте. Можно сказать, что ПЗЛК явились важным недостающим элементом
оптической системы при визуальных оптических методах контроля полостей, позволяющим объединить достоинства существующих систем.
Целью диссертации является разработка и исследование методов контроля крупногабаритных полостей с использованием ПЗЛК, соответствующих схемотехнических и конструкторских решений, а также методики расчета таких систем.
Научная новизна диссертации заключается в разработке схемотехнических решений систем контроля с использованием ПЗЛК, анализе влияния конструктивных параметров системы и энергетических соотношений на метрологические характеристики (точность, диапазон измерений), создании методики расчета таких систем, разработка инженерных рекомендаций по выбору параметров системы в целом и отдельных ее звеньев.
Практическая значимость определяется потребностью в разработке и внедрении методов оптического контроля качества поверхностей, обнаружения дефектов и т.д., и заключается в доведении научных исследований до инженерных методик расчета и выбора параметров системы, в доказательстве практической целесообразности построения систем с использованием ПЗЛК, в конструкторской проработке основных узлов системы и макета системы в целом, и в получении рекомендаций инженерного характера по конструированию таких систем.
Достоверность результатов работы подтверждается проведенными экспериментами, показывающими совпадение теоретических выводов и практических результатов в отношении реализуемости предлагаемого схемотехнического решения, совпадением теоретических выводов в отношении геометрии системы, энергетики, анализом оптической системы с использованием
ряда программ расчета оптических систем (ОПТИКА, CAPO, Zemax), принятых в таких ведущих научных центрах, как ГОИ, С.-П.ГУИТМО, Красногорский завод им. С.А. Зверева.
Публикации. По результатам работы были опубликованы четыре научно-технические статьи. На предложенный метод контроля и устройство для его реализации получено положительное решение по заявке на патент.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений.
Первая глава диссертации посвящена обзору существующих методов контроля внутренних полостей.
Во второй главе получены соотношения, определяющие энергетические уравнения систем контроля полостей для пассивного и активного режимов работы.
В третьей главе диссертации представлено описание оригинального схемотехнического решения оптико-электронной системы, предназначенной для контроля поверхности полостей по методу сечений. Приведены расчет параметров сканирующей системы, оценка влияния погрешностей установки элементов системы на ее работу. Дан анализ влияния конструктивных параметров ПЗЛК на его входной зрачок, положение и размер изображения, размеры его темнового поля. Описываются исследования различных типов оптических систем переноса изображения на приемник, даются основные рекомендации по расчету таких систем.
В четвертой главе приводятся основные результаты проведенных экспериментов, поставленных с целью подтвердить работоспособность
предлагаемой схемы контроля, правильность выбора ее конструктивных параметров и основных теоретических оценок.
В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы и обобщающие выводы.
На защиту выносится;
Обоснование перспективности использования ПЗЛК в составе систем контроля внутренних полостей.
Схемотехническое решение системы контроля внутренних полостей.
Методика энергетического расчета системы контроля внутренних полостей.
Рекомендации по выбору параметров сканирующей системы.
Рекомендации по выбору и расчету оптических систем переноса изображения.
Визуальные оптические методы контроля полостей
Приборы, реализующие визуальные оптические методы контроля внутренних полостей получили название эндоскопов. Па данный момент существует множество конструкций эндоскопов, каждая из которых, как правило, приспособлена под конкретную задачу. Оптимальное сочетание оптических характеристик эндоскопа с характеристиками исследуемого объекта и условиями эксплуатации непременно повысит производительность и качество труда оператора. При этом необходимо учитывать в комплексе технические характеристики эндоскопа (угловое поле, увеличение, разрешающую способность, светосилу, цветопередачу), условия осмотра (коэффициенты рассеяния и отражения исследуемой поверхности, ее размер, расстояние, возможность доступа к ней и т. д.), минимальные размеры и форму исследуемого дефекта и другие параметры.
С конструкторской точки зрения, эндоскоп представляет собой двухканальную оптическую систему. Первый канал - осветительный - передает свет от вспомогательного блока - осветителя на исследуемый объект. Отраженный исследуемым объектом свет поступает во второй канал -информационный, который строит изображение исследуемого объекта на сетчатке глаза оператора или на приемнике излучения другого вспомогательного блока - телевизионной системы. В зависимости от используемых в информационном канале оптических сред и конструкции рабочей (погружаемой внутрь объекта) части, эндоскопы можно разделить на следующие основные группы: 1) жесткие эндоскопы на основе линзовой оптики; 2) жесткие эндоскопы на основе градиентной оптики; 3) гибкие эндоскопы на основе волоконных жгутов. Для каждой из этих групп можно выделить основные особенности оптических и конструкционных характеристик, руководствуясь которыми можно определить целесообразность применения той или иной системы.
Информационный канал жестких эндоскопов на основе линзовой оптики обычно состоит из линзового объектива, линзовых оборачивающих систем и окуляра. Диаметр рабочей части - не менее 4 мм, длина рабочей части - до 100 ее диаметров, поле зрения от 10 до 100.
Информационный канал жестких эндоскопов на основе градиентной оптики состоит из градиентного объектива, градиентных оборачивающих систем и линзового окуляра. Диаметр рабочей части - от 1 мм до 5 мм, длина рабочей части - до 100 ее диаметров, угловое поле 40 - 60. Эндоскопы этой группы имеют более низкие, чем у линзовых, разрешающую способность и контраст изображения. Возможности комбинирования оптических параметров ограничены.
Информационный канал гибких эндоскопов (рис. 1.2) на основе волоконно-оптических жгутов, как правило, состоит из линзового (реже - градиентного) объектива, регулярного волоконно-оптического жгута, представляющего собой пучок моноволоконных световодов диаметром 5-15 мкм с полированными торцами, и линзового окуляра. При этом изображение строится объективом на входном торце жгута и рассматривается через окуляр на выходном торце жгута. Эндоскопы этой группы наиболее разнообразны по конструкции и по своим возможностям, однако, разрешающая способность ограничена диаметром моноволокна в жгуте. Диаметр рабочей части от 4 мм до 10 мм, длина рабочей части до 2 м [43].
Гибкий эндоскоп. Возможность обнаружения дефекта зависит от качества и количества передаваемой эндоскопом информации, что, в свою очередь, прежде всего, зависит от типа применяемого эндоскопа. Учет приведенных выше характеристик двух групп эндоскопов, а так же общих принципов подхода к выбору диагностической системы, таких как применение эндоскопов максимально возможного диаметра; минимально возможной длины; применение, по возможности, жестких эндоскопов; приводит к повышению производительности труда оператора, повышению вероятности обнаружения дефекта и снижению вероятности поломки эндоскопа.
При этом основной недостаток описанных выше эндоскопов - это невозможность одновременного обзора пространства в большом телесном угле. Их угловые поля не превышают 100. А для изменения направления визирования, то есть обеспечения бокового обзора, в оптической системе часто присутствует призма или зеркало. Это может быть эффективным в тех случаях, когда требуется рассмотреть отдельные участки полости. В этом случае для полного просмотра всей полости потребуется производить ее механическое сканирование. Оно может производиться по заданной или произвольной траектории (вручную или с применением сканирующей системы). Однако это потребует больших затрат времени. В случае же необходимости исследования полостей большого диаметра (до нескольких метров) и длины площадь поверхности многократно увеличивается, и сканирование становится малоэффективным. К тому же исследование полостей большого диаметра дает возможность решить некоторые проблемы. Например, это позволяет не только уйти от проблем, связанных с изготовлением оптических элементов малого диаметра, но и уменьшить потери на дифракцию и, соответственно, увеличить разрешающую способность.
При детальном изучении поверхности полости или отдельных ее участков, то целесообразно применять достаточно узкопольные эндоскопы, имеющие высокую разрешающую способность и качество изображения. Если же необходимо провести общий, возможно предварительный, осмотр полости, то применение широкоугольных эндоскопов гораздо более эффективно. В случае же необходимости изучения формы полости применение широкоугольной или панорамной оптики становится особенно перспективным. Используя при этом возможности современных компьютеров можно достичь очень высокого результата.
Энергетическое уравнение тепловизионных систем контроля полостей
Тепловизионные панорамные системы позволяют фиксировать очаги нагрева полости в широком диапазоне углов. Если изображение в области видимого диапазона длин волн образуется, прежде всего, за счет отражения и различий в отражательной способности, то тепловые изображения создаются главным образом за счет собственного излучения и различий в излучательной способности элементов контролируемой поверхности. Оптическая панорамная система собирает инфракрасное излучение от поверхности полости, осуществляет спектральную фильтрацию и создает тепловое изображение контролируемого участка поверхности на чувствительной поверхности тепловизионной камеры, с помощью которой получают видимый аналог теплового изображения. Приемник преобразует оптический сигнал в электрический, который затем усиливается и воспроизводится на экране монитора в виде изображения. В системах тепловидения средняя величина яркости картины обычно подавляется, так что на индикатор передаются только изменения яркости относительно среднего уровня. Благодаря этому достигаются высокие значения контраста в видимом изображении [29,60,62,69].
Наблюдаемая яркость объекта определяется суммой пропускаемого и собственного излучения, а также излучения от других тепловых источников, отраженного от данного объекта.
Формулы (2.2)-(2.10) могут быть использованы для ориентировочных оценок требуемых параметров тепловизионной системы на этапе ее проектирования. На практике при создании систем контроля используют готовые, доступные тепловизионные камеры, поэтому задачей энергетического расчета может явиться оценка применимости той или иной камеры в составе системы контроля полости. В этом случае исходным параметром для такой оценки может быть требуемое температурное разрешение камеры или пороговое значение энергетической облученности, необходимое для создания заданного контраста в изображении. Изменение облученности, создаваемое на приемнике излучения тепловизионной системы, должно превышать определенное пороговое значение, характерное для данной телевизионной камеры.
Как уже отмечалось, специфика рассматриваемых систем контроля такова, что приемная оптическая система включает помимо основного панорамного компонента вспомогательную оптическую систему для переноса изображения, создаваемого панорамным объективом, непосредственно на приемник излучения. Поэтому в формуле (2.19) для дальнейшего удобства необходимо ввести разделение оптических элементов на панорамную систему (п.с.) и систему переноса изображения (с.п.).
Еп - пороговое значение освещенности, характеризующее качество тепловизионной камеры. Теперь коснемся вопроса определения угла є и его влияния на поток излучения, попадающий во входной зрачок. В силу специфики панорамных оптических систем влияние угла падения излучения на входной зрачок на энергетические свойства системы может быть очень велико. Поэтому значение освещенности элемента приемника излучения, полученное из формулы (2.20) без учета взаимной ориентации входного зрачка и элементарной излучающей площадки поверхности полости, может сильно отличаться от реального значения. В связи с этим необходимо оценить, как влияет угол падения излучения на входной зрачок на энергетику в данном рассматриваемом классе систем.
Излучение с элементарного излучателя (площадки dQx ) поступает на малую площадку dQ2. Центры площадок лежат на оси образованной световой трубки и находятся на расстоянии / друг от друга, а нормали к ним образуют с осью трубки соответственно углы j и є2. Надо сказать, что формула (2.23) представляет собой лишь частный случай взаимной ориентации излучающей и принимающей излучение площадок в пространстве.
Используя методику вывода формул освещенности, приведенную в [39], можно получить выражение для освещенности приемника излучения, создаваемой элементом поверхности, применительно к рассматриваемой панорамной оптико-электронной системе контроля.
Во-первых, углы et и 2 могут быть равны друг другу лишь в редких частных случаях. А так как угловое поле панорамного зеркально-линзового компонента имеет темновую зону в центре, и на приемник попадают только лучи, идущие в пределах примерно 20-г 100 от оптической оси, то положение излучателя и приемника, когда углы є: и е2 одновременно равны нулю, невозможно. Нулевое значение может принимать лишь угол ,. Из этого следует, что в формуле освещенности должны фигурировать оба угла.
Во-вторых, панорамные оптические системы обеспечивают прохождение лучей при е2 = 90 и более. Это происходит за счет того, что размер, форма, а, следовательно, и площадь входного зрачка в таких системах непостоянны и зависят от угла падения луча на входной зрачок.
Формула измерений текущего радиуса-вектора полости
Установим, каким образом погрешность измерений Дг зависит от углов а и р. В дальнейшем для простоты и удобства вывода формул будем рассматривать цилиндрическую полость. Учтем при этом, что полость может иметь и более сложное сечение, чем окружность, и освещенная фигура, повторяющая определенное сечение полости, также будет отличаться от идеального кольца. Однако принцип контроля будет справедлив и при произвольной форме сечения. Важно задать определенным образом «эталонное» сечение.
Обратимся к рис. 3.4. На нем схематично изображена стенка цилиндрической полости, радиусом г, с объектом на поверхности, размером Лг. Объект наблюдается под углом S из точки В, совпадающей с центром входного зрачка приемной оптической системы, под углом р к оси полости. Задача оптимизации сводится к тому, чтобы определить, при каких условиях угол S будет максимальным. Угол 5 определяется размером проекции Д объекта, размером Аг, по направлению визирования, которая, в свою очередь, зависит от расстояний о, и а2 краев объекта от центра входного зрачка. Эти же расстояния определяются углом прима /?. Следовательно, необходимо найти зависимость ?(/?), и определить угол р, соответствующий максимуму этой зависимости [38].
Далее находим зависимость углового размера S объекта от его линейной проекции Д в направлении визирования. Расстояния а, и а2 от центра входного зрачка приемной системы до крайних точек выступа различаются на величину Д,.
Из формулы (3.6) видно, что 5 принимает максимальное значение при sin2/f = 1, т.е. при р 45, учитывая то, что при работе системы угол ft теоретически может меняться в пределах от 0 до примерно 120 и ограничивается возможностями современных панорамных оптических систем. Это можно объяснить следующим образом. Из рис. 3.4 видно, что при углах /? 45 расстояние ах уменьшается, но при этом уменьшается проекция Д объекта на луч зрения, становясь при /3 - 90 равной нулю. Это ведет к уменьшению угла д. При /7 45 - наоборот: эта проекция увеличивается, и при j3- 0 Д -» Дтах = Лг, однако при этом значительно увеличивается расстояние al, что в итоге также ведет к уменьшению угла 5 .
Таким образом при fi - 45 объект на поверхности полости будет наблюдаться в наибольшем телесном угле. Однако это будет эффективно в том случае, если освещать поверхность широким пучком, достаточным для того, чтобы охватить весь объект целиком. К тому же освещение должно производиться со стороны входного зрачка. Такой способ освещения не совсем эффективен, так как тень от объекта будет падать в противоположном от приемной системы направлении. В случае же нашей системы теневая картина, создаваемая объектом, неизбежно будет попадать в угловое поле приемной оптической системы. По характеру этой картины можно судить и об объекте. Тогда необходим учет также и угла освещения а. На рис. 3.5 схематично показаны геометрические параметры системы (углы и расстояния между компонентами), необходимые для дальнейшего вывода формул.
Теперь определим, как будет меняться относительная погрешность определения радиуса г, в зависимости от соотношения расстояния d и углов а и Р (рис. 3.6), а также их погрешностей. Сначала получим формулу для определения погрешности определения радиуса Аг. Исследуем формулу (3.10).
Формула (3.16) определяет относительную погрешность радиуса полости г, в зависимости от соотношения расстояния d и углов а и Р, а также их погрешностей. 3.4 Выбор геометрических параметров системы контроля полостей, работающей по методу сечений
Итак, мы получили формулу для нахождения относительной погрешности определения радиуса полости г, в которую входят частные погрешности составляющих ее величин d, а и 0.
Однако заметим, что, во-первых, при уменьшении углов а и /?, возрастают габариты системы по оси. Во-вторых, при изменении а в диапазоне от 0 до 90, минимальной погрешности соответствуют углы р не меньше 45. Это значит, что приемная оптическая система должна иметь угловое поле никак не менее 90, а реально - намного больше. В-третьих, чем меньше угол а, тем более пологим становится график в области минимума. Другими словами, при меньших значениях углов а, мы имеем большую свободу при выборе угла /?.
Таким образом, из вышесказанного можно сделать следующие основные выводы: 1. Влияние погрешностей Ас/ и Да может быть учтено при калибровке системы. Основной же вклад в погрешность определения радиуса полости дает погрешность AJ3. 2. Учитывая пункт 1, при выборе параметров сканирующей системы следует стремиться к уменьшению угла а. 3. Формула (3.16) позволяет выбрать конструктивные параметры d, а и из условия минимума относительной погрешности — определения 3. При уменьшении значений Да и Д/Ї графики становятся ближе к асимптотам, т.е. диапазон полезных углов ft расширяется. 3.5 Оценка влияния погрешностей установки элементов сканирующей системы
Теперь обратимся к вопросу о том, как влияет погрешность установки элементов сканирующей системы на ее точность [30]. В первую очередь это касается погрешности установки отражателя. В случае идеальной цилиндрической полости ось вращения отражателя должна совпадать с осью полости. Однако в случае реальной полости невозможно строго обеспечить это условие, да и само понятие «ось реальной полости» может быть весьма расплывчатым. Поэтому знать, как неправильность установки влияет на точность работы системы, необходимо в первую очередь при калибровке системы, чтобы в дальнейшем исключить или хотя бы уменьшить влияние систематических погрешностей на результаты измерений.
Влияние параллельного смещения оси отражателя. Из рисунка видно, что смещение отражателя от оптической оси без изменения наклона оси вращения приведет к тому, что световое кольцо на поверхности цилиндра приобретет наклон, относительно идеального положения. Величины ДІ/, и Дд представляют собой максимальные значения этого отклонения на поверхности полости. Им соответствуют угловые величины Д/7, и Ду(?2, представляющие собой углы, под которыми эти отклонения видны из центра входного зрачка приемной оптической системы. Иными словами, при наличии смещения к, световое кольцо на цилиндрической поверхности будет иметь вид не окружности, а эллипса с максимальными отклонениями Д /, и Ш7. Из геометрических соображений можно записать следующую систему уравнений:
Оценка энергетических соотношений в системе
Для проведения эксперимента была создан макет системы, включающий в себя контролируемую полость, габаритами 60x60x80 см, внутри которой устанавливались различные элементы, создававшие рельеф при исследовании контура сканирования. Размеры элементов по высоте - от 5 до 40 мм. В состав установки также входили лазер типа ЛГН-203, двигатель типа ДПМ-20 с установленной на валу вращения отклоняющей зеркальной призмой, обеспечивающей угол отклонения 90, панорамная оптическая система с ПЗЛК, которая использовалась в качестве насадки к фотоаппарату «Зенит» и к ПЗС-камере. В последнем случае изображение наблюдалось на экране монитора.
При настройке установки использовались различные режимы работы. Режим непосредственного визуального контроля при естественном освещении использовался при юстировке установки;, когда видеосигнал с ПЗС-камеры, снабженной панорамной насадкой, выводился на монитор. В этом же режиме пробовались различные источники излучения, для создания контура сканирования: малогабаритный коллиматор, лазерная указка, инфракрасный светодиод, лазер.
Оказалось, что система в принципе работоспособна при любом из указанных источников, однако наиболее рациональным оказалось использование лазера, обеспечивающего необходимые энергетические параметры, а также дающего узкий пучок направленного излучения, необходимый для формирования четкого контура сканирования. Применение лазерной указки обеспечивало работоспособность системы по методу сечений для полостей, диаметром не более одного метра. Использование коллиматора и инфракрасного светодиода ограничивалось большой расходимостью пучка излучения. Дальнейшие эксперименты были осуществлены с использованием в качестве источника излучения лазера ЛГН-203. С целью оценки энергетических соотношений в системе для элементов экспериментальной установки бьши проведены расчеты в соответствии с формулой (2.40). Они показали, что при использовании лазера ЛГН-203 (Фй =\.5мВт) в режиме зонда на поверхности исследуемой полости (60x60x80 см) обеспечивается освещенность, многократно превышающая пороговую. Для аналогичных условий при работе в режиме создания контура сканирования превышение пороговой освещенности составило 15 крат. Расчеты для системы с использованием лазерной указки (Фе=0.5мВт) в режиме создания контура сканирования показали, что превышение пороговой чувствительности используемой ПЗС-камеры составляло около 2 крат, что было подтверждено при проведении эксперимента: освещенности при работе с лазерной указкой было недостаточно для уверенного воспроизведения контура на мониторе.
При проведении этого эксперимента угол приема излучения изменялся путем перемещения приемной системы вдоль оси полости и установке ее на различных расстояниях от источника излучения. На рис. 4.1 приведена фотография внутренней полости макета с дополнительной подсветкой и контуром сканирования, получаемым при использовании лазера. Угол приема излучения в данном случае составляет порядка 50. При визуальной оценке пространственного разрешения разрешающая способность составила 1 мм, что соответствует размеру светового пятна контура сканирования.
Проверка работоспособности при различных режимах сканирования подтвердила, что в режиме ручного сканирования с малой угловой скоростью энергетический дефицит не возникает даже при контроле на расстояниях, порядка нескольких метров (фактически легко контролировались детали помещения, в котором проводился эксперимент). При этом эксперимент производился в режиме естественного освещения. Однако как только система переводилась в режим создания контура сканирования, дальность работы резко сокращалась, поскольку освещенность контура уменьшалась в соотношении площадей контура сканирования и пятна рассеяния. Это подтверждается расчетами, проведенными в соответствии с формулой (2.40) с целью определения дальности действия системы с использованием лазера ЛГН-203. Они подтвердили отсутствие энергетического дефицита при работе системы в режиме зонда в помещении, размером 4 метра (освещенность приемника при этом превышает пороговую в 7000 раз). Однако при переходе системы в режим создания контура сканирования максимальная дальность составляла не более одного метра, что соответствует полости диаметром 2 метра.
Экспериментальные исследования подтвердили работоспособность предлагаемой схемы, правильность выбора ее конструктивных параметров и теоретических оценок в отношении зависимости формы контура сканирования от геометрических параметров системы, и энергетических соотношений в системе.
Основные результаты, полученные в диссертации, сводятся к следующему: 1. Оптико-электронные системы контроля полостей являются перспективным направлением в дефектоскопии. ПЗЛК явились важным недостающим элементом оптической системы при визуальных оптических методах контроля полостей, позволяющим объединить достоинства существующих систем. 2. Предложен оригинальный принцип построения и схема ОЭС контроля внутренних полостей с использованием ПЗЛК, работающая по методу сечений. Разработана методика расчета конструктивных параметров системы контроля с ПЗЛК. 3. Определены энергетические соотношения, позволяющие проводить энергетический расчет систем контроля полостей при активном и пассивном режимах работы. 4. Получены рекомендации по выбору конструктивных параметров системы по критерию минимизации относительной погрешности определения радиуса полости. 5. Разработана методика расчета оптических систем контроля полостей с ПЗЛК. Получены рекомендации по выбору и расчету параметров систем переноса изображений. 6. Разработан макет системы, реализующий предложенный метод контроля полостей. 7. Проведены экспериментальные исследования макета, показывающие принципиальную возможность построения, и подтвердившие основные теоретические выводы.
