Оптико-электронный комплекс дистанционной идентификации строительного материала тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Беляева, Мария Александровна

• Беляева, Мария Александровна
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Беляева, Мария Александровна

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ, У СЛОЕН 1ЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

1 ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛА

С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ.

1.1 Интеллектуальные лазерные системы.•.

1.2 Дистанционная идентификация материала по времени разгорания факела.

2 АНАЛИЗ МЕТОДИКИ ФОРМИРОВАНИЯ ПЛАЗМЕННОГО ФАКЕЛА

3 ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ РАЗРАБОТАННОЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ

3.1 Обобщеннаяхтруктурная схема спектрального прибора.

3.2 Характеристики спектрального прибора.

3.3 Ширина спектральных линий.

3.4 Самопоглощение и самообращение.

3.5 Физико-химические процессы, происходящие в источниках возбуждения спектров.

3.6 Условия проведения качественного эмиссионного анализа.

4 ОПТИКО - ЭЛЕКТРОННЫЙ КОМПЛЕКС ДИСТАНЦИОННОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ МАТЕРИАЛОВ И ЕГО ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ

4.1 Состав и структура комплекса для проведения дистанционной идентификации строительного материала.

4.2 Комплекс технических средств-для проведения спектрального анализа.

4.3 Идентификация типа строительного материала при использовании импульсного твердотельного YAG:Nd3+ лазера.

4.4 Идентификация типа строительного материала при использовании волоконного иттербиевого лазера.

4.5 Определение типа материала в процессе его лазерной обработки.

5 АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ИДЕНТИФИКАЦИИ ТИПА СТРОИТЕЛЬНОГО МАТЕРИАЛА .93 5.1" Математический аппарат анализа и сравнения спектрограмм.

5.Г.1 Математическое описание критерия "наличие характерных максимумов (минимумов) интенсивности".

5.1.2 Математическое описание критерия "интегральное значение интенсивности".

5.1.3 Математическое описание критерия "отношение интегральных значений интенсивности в определенной паре спектральных диапазонов".

5.1.4 Математическое описание критерия "характер поведения спектрограммы".

5.1.5 Математическое описание критерия "профиль спектрограммы".

5.2 Интерфейс программного обеспечения (ПО).1.

5.2.1 Закладка<"Заполнение эталонной базы".

5.2.2 Закладка "Просмотр и редактирование эталонной базы".

5.2.3 Закладка "Критерии идентификации".

5.2.4 Закладка "Алгоритм идентификации".

5.2.5 Закладка "Идентификация материала".

5.2.6 Закладка "Просмотр отчета".

5.3 Использование программы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптико-электронный комплекс дистанционной идентификации строительного материала»

Актуальность работы. С момента создания первых лазеров широкое распространение получила лазерная обработка различного рода материалов как органического, так и неорганического происхождения. Мощное лазерное излучение нашло свое применение в различных областях науки и техники (резка, сверление, сварка, маркировка материалов, бурение и др). Зачастую 'для этих задач используются высокомощные лазерные установки совместно с волоконно-оптическим трактом передачи излучения. При этом лазерное излучение по оптическому волокну передается к труднодоступным местам на большие расстояния. В ходе работы может возникнуть необходимость в получении информации о материале, обрабатываемом лазерным излучением в текущий момент времени, поскольку от нее может зависеть как оптимизация режимов воздействия на различные материалы, так и результат проводимой операции. Данное обстоятельство определяет актуальность разработки вспомогательного опто-электронного оборудования, обеспечивающего дистанционное определение типа материала, обрабатываемого мощным лазерным излучением. Также целесообразной является автоматизация процесса идентификации типа материала, которая может быть основана, к примеру, на разработке соответствующего программного обеспечения, анализирующего информацию о факеле, образуемом в зоне обработки. Автоматизация может способствовать как сокращению времени проведения анализа, так и снижению требований к квалификации оператора.

Цель работы. Цель диссертационной работы состоит в разработке способа и оптико-электронного комплекса дистанционной идентификации материалов, подвергающихся воздействию мощного лазерного излучения.

Задачи, требующие проведения диссертационных исследований:

- анализ существующих методов и средств технической диагностики плазменного факела;

- определение возможности трансляции информации о факеле по каналу его возбуждения (по принципу обратной связи);

- разработка оптико-электронной схемы дистанционного определения типа материала при воздействии на него лазерного излучения мощностью не менее 1 кВт;

- идентификация типа материала по спектрограмме плазменного факела;

- создание базы спектрограмм, характерных для различных материалов;

- автоматизация процесса идентификации.

Объект исследования. Объектом проводимого исследования является излучение факела, образующегося в ходе эмиссии возбужденных с помощью лазера атомов и молекул веществ, входящих в состав строительных материалов.

Методы исследования. Одним из основных методов, используемых для исследовательской работы, является качественный метод атомно-эмиссионного спектрального анализа веществ. Из общих методов, используемых как на эмпирическом, так и на теоретическом уровне исследования, в работе нашли свое применение метод идентификации объектов-оригиналов, анализ и синтез, а также методы математического и программного моделирования.

Научная новизна определяется тем, что установлена возможность проведения идентификации типов строительных материалов путем проведения спектрального- анализа факела, образующегося в зоне воздействия лазерного излучения на поверхности материала, при следующих условиях:

- дистанционно (на расстоянии, ограниченном длиной волокна, которая > может достигать нескольких сотен метров);

- с использованием волоконного непрерывного лазера. Указанный тип источника является одним из наиболее перспективных с точки зрения создания мощных малогабаритных лазерных установок с высоким КПД и хорошим качеством лазерного излучения (малой расходимостью);

- по принципу обратной связи, при котором подача лазерного излучения и перенос информации о факеле осуществляются по одному и тому же каналу связи (оптическому волокну).

Основные результаты, выносимые на защиту.

1. Методика формирования спектрограмм путем трансляции информации о факеле по каналу его возбуждения (по принципу обратной связи).

2. Принцип построения оптико-электронного комплекса для идентификации основных типов строительных материалов в условиях отсутствия доступа к месту их обработки.

3. Критерии оценки спектрограмм, устанавливающие связь между исследуемой спектрограммой и эталонными.

4. Методика автоматизации сравнения исследуемых спектрограмм с эталонными.

Практическая значимость.

1. Разработанный метод позволяет дистанционно идентифицировать типы строительных материалов в труднодоступных местах:

- в процессе проведения диагностики во время аварийно-спасательных работ;

- в ходе зондирования строительных конструкций перед их реставрацией;

- при формировании протяженных отверстий с использованием лазерной дрели.

2. К основным достоинствам разработанного способа следует отнести:

- производительность проведения исследования;

- возможность проведения идентификации материала без прерывания процесса лазерной обработки;

- простота внедрения в процесс лазерной обработки за счет минимального дополнительного технологического обеспечения.

Область применения результатов. Разработанный способ может быть использован в различных областях науки и техники. Результаты диссертационных исследований реализованы в серии работ в рамках Гособоронзаказа.

Личный вклад автора. Разработка схемы проведения экспериментов, проведение исследований, анализ результатов, разработка математических описаний критериев сравнения спектрограмм, выводы и научные положения, приведенные в диссертационной работе, получены лично соискателем. Общая постановка целей и задач исследования, подготовка к публикации полученных результатов проведена совместно с научным руководителем работы, Трофимовым В. А.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены автором на следующих научных конференциях: ХЫ научная и учебно-методическая конференция СПб НИУ ИТМО (г. Санкт-Петербург, 2012 г.), I Всероссийский конгресс молодых ученых (10-14 апреля 2012 г., СПб НИУ ИТМО, г. Санкт-Петербург).

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в четырех статьях, в том числе две статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК для кандидатских диссертаций (перечень от 01.01.2007 г.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения. Объем работы составляет 125 листов. Работа содержит 76 рисунков, в списке литературы 38 наименований.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Беляева, Мария Александровна

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 5

1. Разработано математическое описание следующих критериев сравнения исследуемой спектрограммы с эталонной:

- наличие характерных максимумов (минимумов) интенсивности в определенном (одном или нескольких) спектральном диапазоне (Критерий №1);

- интегральное значение интенсивности в выбранном (одном или нескольких) спектральном диапазоне (Критерий №2);

- отношение интегральных значений интенсивности в определенной паре (одной или нескольких) спектральных диапазонов (Критерий №3);

- характер поведения спектрограммы (убывание - возрастание) в определенном (одном или нескольких) спектральном диапазоне (Критерий №4);

- профиль спектрограммы (Критерий №5).

2. Разработано прикладное программное обеспечение для спектроанализа-тора \VaveStar, предназначенное для автоматической обработки результатов спектрального анализа плазменного факела, возникающего в зоне обработки строительного материала под воздействием лазерного излучения.

Основным принципом, на котором основана работа программы, является создание базы эталонных спектрограмм материалов и сравнение с ними спектрограммы исследуемого материала по заложенному предварительно алгоритму.

Прикладное программное обеспечение позволяет:

- создавать базы эталонных спектрограмм материалов при различных условиях их обработки лазерным излучением;

- просматривать и редактировать сформированные базы;

- фиксировать исследуемую спектрограмму;

- проводить сравнительный анализ исследуемой спектрограммы, выбирая отдельно критерии и интервалы идентификации;

- создавать алгоритмы идентификации;

- проводить автоматическую идентификацию по выбранным алгоритмам.

- получать краткий и полный отчет по проведенному анализу.

3. Проведена апробация прикладное программное обеспечение, которая позволяет дать заключение о его работоспособности.

121

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Установлена возможность идентификации некоторых строительных материалов путем проведения спектрального анализа плазменного факела, возникающего в зоне обработки этого материала лазерным излучением.

2. Разработана схема получения информации о плазменном факеле, которая обеспечивает проведение спектрального анализа при следующих условиях: дистанционно (на расстоянии, ограниченном длиной волокна, которая может достигать нескольких сотен метров);

- с использованием непрерывного волоконного иттербиевого лазера. Указанный тип источника является одним из наиболее перспективных с точки зрения создания мощных малогабаритных лазерных установок с высоким КПД и хорошим качеством лазерного излучения (малой расходимостью); 1 по принципу обратной связи, при котором подача лазерного излучения и перенос информации о типе обрабатываемого материала передаются по одному и тому же каналу связи (оптическому волокну), что позволяет проводить идентификацию типа материала без прерывания процесса лазерной обработки.

3. Сформирована база данных, включающая спектрограммы основных конструкционных и некоторых отделочных материалов, и определены характерные особенности спектрограмм каждого материала.

4. Разработано и апробировано программное обеспечение для проведения автоматического определения типа строительного материала.

Основным принципом, на котором основана работа дополнительного программного обеспечения, является создание базы эталонных спектрограмм материалов и сравнение с ними спектрограммы исследуемого материала по заложенному предварительно алгоритму. Алгоритм представляет собой последовательность критериев, по которым ведется сравнение.

5. Разработан оптико-электронная комплекс технических средств проведения спектрального анализа в ходе обработки материала лазерным излучением. Основными элементами комплекса являются:

- спектроанализатор;

- фокусирующее устройство;

- несущая система с механизмом юстировки;

- лазерный диодный модуль;

- блок зажимных приспособлений;

- программное обеспечение.

Результаты диссертационных исследований реализованы в серии работ в рамках Гособоронзаказа.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Беляева, Мария Александровна, 2012 год

1. Аналитическая лазерная спектроскопия/ Под ред. Н. Оменетто. М.: Мир, 1982.-606 с.

2. Барсуков В.И. Атомный спектральный анализ. М.: Машиностроение, 2005. - 132 с.

3. Бёккер Ю. Спектроскопия. — М.: Техносфера, 2009. 528 с.

4. Беляева М.А., Трофимов В.А. Дистанционная лазерная спектроскопия строительных материалов// Оптика и спектроскопия. 2012. Т. 112, № 4 С. 688691.

5. Беляева М.А., Трофимов В.А., Уразгалиев В. Автоматизация лазерной идентификации типов строительных материалов// Программа XLI научной и учебно-методической конференции СПб НИУ ИТМО, 2012 г.

6. Беляева М.А. Автоматизация лазерной идентификации строительных материалов// Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых, Выпуск 2. Труды молодых ученых/ Главный редактор д.т.н., проф. В.О. Никифоров. -СПб: НИУ ИТМО, 2012. с.75 - 76.

7. Вейнберг В.Б., Сатгаров Д.К. Оптика световодов. JL: Машиностроение, 1977.-320 с.

8. Ю.Гончаров В.К., Карабань В.И., Колесник A.B. Изменение во времени оптических характеристик лазерного эрозионного факела// Квантовая электроника. 1985. №4 С.762 - 766.

9. П.Горшков B.C., Тимашев В.В., Савельев В.Г. Методы физико-химического анализа вяжущих веществ: Учеб. пособие. М.: Высшая школа, -1981.

10. Демтрёдер В. Лазерная спектроскопия: Основные принципы и техника эксперимента. М. Наука, 1985. - 608 с.

11. Демьянчук A.C. Атомная спектроскопия, спектральный анализ. Киев: Знание, 1975.

12. Зайдель А.Н., Островская Г.В., Островский Ю.И. Техника и практика спектроскопии. М.: Наука, 1976. - 392 с.

13. Измерение энергетических параметров и характеристик лазерного излучения/ Под ред. А.Ф.Котюка. М.: Радио и связь, 1981. - 288 с.

14. Импульсные источники света1 Под ред. И.С.Маршака. М.: Энергия, 1978.-472 с.

15. Капани Н.С. Волоконная оптика: Пер. с англ./ Под ред. В.Б.Вейнберга, Д.К.Саттарова. -М.:Мир, 1969. 464 с.

16. Коростелев П.П. Лабораторные приборы технического анализа. Справочник.-М.: Металлургия, 1987.

17. Кустанович И.М. Спектральный анализ. М.: Высшая школа, 1972.

18. Лазеры в технологии/ Под ред. М.Ф.Стельмаха. М.: Энергия, 1975.216 с.

19. Лазерная обработка неметаллических материалов/ А.Г.Григорьянц, А.А.Соколов; под ред. А.Г.Григорьянца. М.: Высшая школа, 1988. - 191 с.

20. Лебедева В.В., Техника оптической спектроскопии. М.: Изд. МГУ, 1977.

21. Ломоносова Л.С, Фальнова О.Б. Спектральный анализ. -М.: Мир, 1958.

22. Орешенкова Е.Г. Спектральный анализ. М.: Высшая школа, 1982. -375 с.

23. Петров A.A., Пушкарева Е.А. Корреляционный спектральный анализ веществ. Кн.1. Анализ газовой фазы. Спб.: Химия, 1993. - 268с.

24. Лазерная диагностика в биологии и медицине/ Под ред. A.B. Приезжев, В.В. Тучин, Л.П. Шубочкин М.: Наука, 1989. - 238 с.

25. Промышленное применение лазеров/ Под ред. Г.Кебнера. — М.: Машиностроение, 1988.-278 с.

26. Попов А.К. Введение в нелинейную спектроскопию. Новосибирск: Наука, 1983. - 274 с.

27. Райхбаум Я.Д. Физические основы спектрального анализа. М.: Наука, 1980.- 158 с.

28. Рыкалин H.H., Углов A.A., Кокора А.Н. Лазерная обработка материалов. М.: Машиностроение, 1975. - 296 с.

29. Рэди Дж. Действие мощного лазерного излучения. -М.: Мир, 1974.-468 с.

30. Скоков И.В. Оптические спектральные приборы. Учебное пособие для вузов. -М.: Машиностроение, 1984.

31. Стриганов А.Р., Свентицкий Н.С. Таблицы спектральных линий нейтральных и ионизованных атомов. — М.:Атомиздат, 1966 г.

32. Стенхольм С. Основы лазерной спектроскопии. М. Мир, 1987. 312 с.

33. Терек Т., Мика И., Гегуш Э. Эмиссионный спектральный анализ в двух частях. -М.: Мир, 1982.

34. Трофимов В.А., Беляева М.А. Дистанционная лазерная идентификация типа строительного материала/ Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2012. - № 2 (78) - С. 8 - 13.

35. Уонг X. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров. Справочник. М.: Атомиздат, 1979. - 214 с.

36. Ширшов И.Г., Котиков В.Н. Плазменная резка. Л.: Машиностроение, 1987.- 192 с.1. УТВЕРЖДАЮ

37. Руководитель ФГКУ "В/ч 45187"об использовании результатов кандидатской диссертационной работы Беляевой Марии Александровны

38. Комиссия в составе: председателя комиссии Воркова М.В., ФГКУ "В/ч 45187";членов комиссии: Брылина Д.В., ФГКУ "В/ч 45187";

39. Дистанционное определение типа строительного материала при его обработке мощным лазерным излучением.

40. Автоматизация процесса идентификации.

41. Использование указанных результатов обеспечивает оптимизацию режимов лазерного воздействия на обрабатываемые материалы и повышает эффективность удаленной обработки материалов в труднодоступных местах.

42. Председатель комиссии: —М.В. Ворков1. Q& pefyjz^ 2012г.

43. Члены комиссии: h> Д.В. Брылин03 ^j^isL 2012г.1. A.A. Москаленко2012г.