Разработка и исследование методов контроля замкнутых полостей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Елизаров, Алексей Владимирович

• Елизаров, Алексей Владимирович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Елизаров, Алексей Владимирович

Введение.

Глава 1. Методы контроля полостей.

1.1 Физические основы и классификация методов контроля.

1.2 Визуальные оптические методы контроля полостей.

1.3 Визуальные оптические приборы для контроля крупногабаритных полостей.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Анализ энергетических соотношений в системах контроля полостей с панорамным зеркально-линзовым компонентом.

2.1 Принципы построения систем контроля полостей с ПЗЛК.

2.2 Энергетическое уравнение тепловизионных систем контроля полостей.

2.3 Энергетическое уравнение телевизионных систем контроля полостей.

2.4 Энергетическое уравнение систем контроля полостей, работающих по методу зонда.

2.5 Энергетическое уравнение систем контроля полостей, работающих по методу сечений.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Методика расчета конструктивных параметров системы контроля полостей с ПЗЛК, работающей по методу сечений.

3.1 Описание устройства системы контроля полостей с ПЗЛК, работающей по методу сечений.

3.2 Формула измерений текущего радиуса-вектора полости.

3.3 Частные погрешности системы контроля полостей.

3.4 Выбор геометрических параметров системы контроля полостей, работающей по методу сечений.

3.5 Оценка влияния погрешностей установки элементов сканирующей системы.

3.6 Рекомендации по калибровке системы контроля полостей, работающей по методу сечений.

3.7 Рекомендации по расчета оптической системы контроля полостей с ПЗЛК.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Моделирование и макетирование оптико-электронной L системы контроля полостей.

4.1 Оценка погрешности установки элементов сканирующей системы.

4.2 Оценка энергетических соотношений в системе.

4.3 Режимы работы с различными углами приема излучения.

4.4 Исследование различных режимов сканирования.

Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование методов контроля замкнутых полостей»

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 [17,21,76].

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.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Елизаров, Алексей Владимирович

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.

Проведены экспериментальные исследования макета, показывающие принципиальную возможность построения, и подтвердившие основные теоретические выводы.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Елизаров, Алексей Владимирович, 2004 год

1. Buchele et at. U.S. Patent Documents 359/725 2.638.033 05.1953

2. Fair S.B., Gilbert J.A. Panoramic endoscopies. SPIE-Optical engineering, 08/1992

3. Galileiskiy V.P., Morozov A.M., Oshlakov V.K. Panoramic photometry complex for cloud detection, p.4. European Symposium on Satellite Remote Sensing II, Paris, France, 1995

4. Gilbert J.A., Matthys D.R. Hendren C.M. Displacement analysis of the interior walls of a pipe using panoramic holointerferometry SPIE-Optical engineering, 07/1991

5. Gilbert J.A., Matthys D.R., Lehner, D.L. Moire measurements using a panoramic annular lens SPIE-Optical engineering, 12/1991

6. Gilbert J.A., Matthys D.R., Lindner C.M. Endoscopes inspection and measurement SPIE-Optical engineering, 01/1993

7. Greguss P. et at. U.S. Patent Documents 359/725 4.566.763 01.1986

8. Greguss P., Kertesz A., Kertesz V. PALIMADAR: a PAL-optic-based imaging module for all-round data acquisition and recording. SPIE-Optical engineering, 01/1993

9. Maklashevsky V.Y., Filinov V.N., Filinov M.V. Digital Processing of Rentgenographic and X-Ray Television Images in Aerospace Radiographic Testing 7-th ECNDT 1998. Proceedings, vol.1, pp. 326-333

10. Matthys D.R., Gilbert J.A., Greguss P. Endoscopic measurement using radial metrology with digital correlation SPIE-Optical engineering, 10/1991

11. Matthys D.R., Gilbert J.A., Puliparambil J.T. Endoscopes inspection using a panoramic annular lens SPIE-Optical engineering, 12/1991

12. Matthys D.R., Greguss P., Gilbert J.A., Lehner D.L. Kransteuber, A.S.

13. Radial metrology with a panoramic annular lens SPIE-Optical engineering, 01/1989

14. Nakagava K. Estimation of the Sky View-factor from a Fish-eye Lens Image, Considering the Anisotropy of the Downward Longwave Radiation -Meteorological Society of Japan, December, 1988, pp. 903-911

15. PC-based Yideoendoscopic system DX 2 for the inspection of Internal surfaces of Pipes / 7-th ECNDT 1998. Proceedings, vol.1, pp. 334-339

16. Powell I. et at. U.S. Patent Documents 359/725 5.473.474 05.1995

17. Product spotlight: Visual Testing Methods/Materials Evaluation, pp 575-586, Vol.54, №5, May 1996

18. Reling J. Technical endoscopy. Systems, components, applications S.L., 1989

19. Rosendahl et at. U.S. Patent Documents 359/725 4.395.093 07.1983

20. Sony Technical Video Cameras / Advanced Imaging, 1995, Jan.

21. Stedham M.A., Banerjee P.P. Panoramic annular lens attitude determination system (PALADS) SPIE-Optical engineering, 06/1995

22. Szaby D., Palasti J. Non-Destructive Testing at the reactor vessels of Paks Nuclear Plant Insight, pp 187-189, Vol.38, №3, March 1996

23. Акатьев В.А. и др. Способ контроля внутренней поверхности дымовой трубы и устройство для его осуществления А.с. RU2152065C1

24. Анитропова И.Л., Алексеев В.И., Буцевицкий А.В. Светосильный объектив А.с. 1124719 (СССР)

25. Афонин А.В. и др. Измерительная оптико-телевизионная система контроля поверхностных дефектов 15-я Российская научно-техническая конференция «Неразрушающий контроль и диагностика». М.: 1999. Тезисы докладов, т.2, стр. 46-47

26. Балягин А.В., Верещагин С.Н., Долгацин Ю.И. Исследование характеристик телевизионных камер и серийных приборов с зарядовой связью типа К1200ЦМ1 и К1200ЦМ2 (К1200ЦМ7) Электронная техника, серия «Полупроводниковые приборы», 1985, вып. 1

27. Буцевицкий А.В. Автоматизированный синтез телеанастигматических линз Изв. вузов СССР - «Приборостроение», 1983, т.26, №8, стр. 90-91

28. Буцевицкий А.В., Еськова JI.M. Области существования анастигматических линз и их использование при построении объективов -Изв. вузов СССР «Приборостроение», 1982, т.25, №12, стр.65-69

29. Быков Р.Е. и др. Телевидение М.: «Высшая школа», 1988

30. Высокоточные угловые измерения / Под ред. Якушенкова Ю.Г. М.: «Машиностроение», 1987

31. Геруберг М. Современная геометрическая оптика М.: Изд. иностр. лит., 1962

32. Глейхен А. Теория современных оптических инструментов М.: «ОНТИ», 1933

33. Елизаров А.В. Выбор параметров сканирующей оптико-электронной системы контроля полостей Изв. вузов, Геодезия и аэрофотосъемка, 2003, №2, стр. 131

34. Елизаров А.В., Куликова Н.В., Куртов А.В., Соломатин В.А., Трусов

35. А.В. Использование модифицированного Фурье-анализа при исследованиях оптико-электронных систем, Сборник трудов международной научно-технической конференции, посвященной 225-летию МИИГАиК, «Оптическое приборостроение», стр. 104

36. Елизаров А.В., Куртов А.В., Соломатин В.А. Оптико-электронная система контроля полостей, Сборник трудов «П0-2002», т.1, стр.78

37. Елизаров А.В., Куртов А.В., Соломатин В.А., Якушенков Ю.Г. Обзорно-панорамные оптико-электронные системы Изв. вузов, Приборостроение, 2002, т.45, №2, стр.37

38. Елисеев С.Е. Геодезические инструменты и приборы М.: «Недра», 1973

39. Заказнов Н.П., Кирюшин С.И., Кузичев В.Н. Теория оптических систем: Учебник для студентов приборостроительных специальностей вузов. -М.: «Машиностроение», 1992

40. Запрягаева JI.A., Свешникова И.С. Расчет и проектирование оптических систем: Учебник для вузов. М.: «Логос», 2000

41. Карасев В.И. Фотоприемные свойства преобразователей изображения на ПЗС при низких уровнях освещенности Электронная промышленность, 1982, вып. 7

42. Кеткович А.А. Устройство для контроля грата А.с. №1256300

43. Кеткович А.А., Марков П.И., Саттаров Д.К. Волоконно-оптическая интроскопия Л.: «Машиностроение», 1987

44. Кеткович А.А., Филинов В.Н., Филинов М.В. Оптические и тепловые методы контроля в МНПО «СПЕКТР» Контроль. Диагностика, 1999, №5, стр. 40-42

45. Кеткович А.А., Филинов М.В. Интегрированная компьютерная система обработки изображений для неразрушающего контроля 14-я Российская научно-техническая конференция «Неразрушающий контроль и диагностика». Тезисы докладов. - М.: 1996, стр. 281-282

46. Кеткович А.А., Филинов М.В. Микротелевизионные системы в оперативной видеоэндоскопии объектов в условиях эксплуатации 14-я Российская научно-техническая конференция «Неразрушающий контроль и диагностика». Тезисы докладов. М.: 1996, стр. 285-286

47. Кеткович А.А., Филинов М.В. Моделирование и анализ процессов преобразования дефектоскопической информации в компьютеризованныхвидеоэндоскопических системах Контроль. Диагностика, 1999, №8, стр. 32-38

48. Клюев В.В., Соснин Ф.Р., Румянцев С.В. и др. Неразрушающий контроль. Россия. 1900-2000 гг.: Справочник / Под ред. В.В. Клюева М.: «Машиностроение», 2001

49. Комиссаров А.Г. Разработка методов и средств измерения, проектирования и обработки поверхностей сложной формы Санкт-Петербург, 1992

50. Куртов А.В. Панорамный объектив «Сакура». Изв. вузов, "Приборостроение". 2000, №3, стр. 129-140

51. Куртов А.В. Разработка и исследование оптических систем с зеркально-линзовым панорамным компонентом / Дис. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук: 05.11.07, М., 2001

52. Кучин А.М., Обрадович Е.И. Оптические приборы измерения шероховатости поверхности М.: «Машиностроение», 1985

53. Ллойд Д. Системы тепловидения / пер. с англ. Н.В. Василенко, под ред. А.И. Горячева. М.: «Мир», 1978

54. Лозовский В.Н. Диагностика авиационных двигателей М.: «Машиностроение», 1988

55. Мосягин Г.М., Немтинов В.Е., Лебедев Е.Н. Теория оптико-электронных систем. М.: «Машиностроение», 1990

56. Надежность и эффективность в технике: Справочник, т.9. Техническая диагностика / Под ред. В.В. Клюева. М.: «Машиностроение», 1987

57. Неразрушающий контроль. Практ. пособие / Под ред. В.В. Сухорукова -М.: «Высшая школа», 1992

58. Носов Ю.Р. Оптоэлектроника М.: «Радио и связь», 1989

59. Оптические контрольные приборы для оценки состояния труднодоступных узлов оборудования, подвергаемого большим нагрузкам Optishe Inspectiansgerate AVIASCOPE / ТПП СССР. Моск. отд-ние. -№8501/1

60. Основы оптоэлектроники / Пер. с японского Э.Г. Азербаева и др. Под ред. К.М. Голанта М.: «Мир», 1988

61. Порфирьев Л.Ф. Теория оптико-электронных приборов и систем. JI.: «Машиностроение», 1980

62. Потапов А.В., Ревинский В.В., Тихоненко О.М. Системы технического зрения -Л.: «Машиностроение», 1988

63. Приборы с зарядовой связью / под ред. Хоувза М. и Моргана Д. М.: «Энергоиздат», 1981

64. Пью А. Техническое зрение роботов / Пер. с англ. Д.Ф. Миронова М.: «Машиностроение», 1987

65. Русинов М.М., Комарова И.Э., Буцевицкий А.В. Зеркально-линзовый объектив А.с. 1137427 (СССР)

66. Савиных В.П., Соломатин В.А. Оптико-электронные системы дистанционного зондирования: Учеб. для вузов М.: «Недра», 1995

67. Секен К., Томпсет М. Приборы с переносом заряда М.: «Мир», 1978

68. Слюсарев Г.Г. Методы расчета оптических систем. JL, «Машиностроение», 1969

69. Соломатин В.А. Системы контроля и измерения с многоэлементными приемниками излучения. М.: «Машиностроение», 1992

70. Соломатин В.А., Куртов А.В. Многофункциональные оптико-электронные системы. «Труды международной конференции прикладная оптика 2000» СПб. 2000, стр. 154-155

71. Суханов А.Г. Панорамная астрофотография. М,:Наука. Гл. ред. физ-мат. лит-ры, 1985

72. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего типа». М.: Логос, 2004

73. Технические средства диагностирования / Под ред. В.В. Клюева М.: «Машиностроение», 1989

74. Филинов М.В. Разработка и исследование оптико-цифровой измерительной системы для контроля труднодоступных полостей энергоагрегатов / Дис. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук: 05.11.13 М., 1999

75. Хорн Б.К.П. Зрение роботов М.: «Мир», 1989

76. Хьюбел Д. Глаз, мозг, зрение / Пер. с англ. М.: «Мир», 1990

77. Шайкевич Д.В. Расчет отношения сигнал/шум в телевизионных камерах на ПЗС при заданных характеристиках источника излучения Техника средств связи, серия «Техника телевидения», 1984, вып. 4

78. Шелест Д.К. Методы аппаратной обработки изображений в автоматических системах контроля Дефектоскопия №5,1995, стр.25-34

79. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов М.: «Логос», 2004