Автоматизированный координатомер

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автоматизированный координатомер

Непрерывный контроль за состоянием целостности и прочности плотин гидротехнических сооружений, в основном, осуществляется измерением смещений контрольных точек, задаваемых положением вертикальных струнных отвесов, установленных в конструкции гидротехнического сооружения на этапе строительства. На сегодняшний день данные измерения проводятся с помощью визуальных измерителей, построенных по схеме Катырева - Брехмана, или же, в меньшей степени (всего несколько плотин ГЭС РФ), с помощью фотоэлектрических установок. В первом случае приборы достаточно громоздки, тяжелы и не свободны от ошибок оператора, во втором - этих проблем нет, но зато устройства - сложные и дорогие. В обоих случаях точность измерений не превышает 100 мкм, чего не достаточно для точного контроля за плотиной.

Поэтому есть необходимость в создании автоматизированного устройства, свободного от указанных недостатков.

Оно должно обеспечивать возможность измерения с одной установки двух координат с точностью, порядка 10 - 50 мкм, при этом не должно содержать сложной механики, быть легким и компактным, простым в эксплуатации.

В основу создания координатомера, отвечающего заданным требованиям, положен метод определения положения струны в полярной системе координат. В этом случае необходимо знать 2 величины - расстояние до струны и угол поворота от нулевого положения до текущего положения струны (рис. 1), т.е. координатомер содержит два блока: первый - это триангуляционный датчик расстояния, а второй - датчик угла поворота.

Рис. 1. К пояснению принципа измерения

автоматизированный сигнал координатомер

Триангуляционный метод, на котором основан первый блок, выбран потому, что он является одним из распространенных оптико-электронных методов измерения расстояний до объекта в силу простоты реализации [1]. Принцип измерения заключается в том, что любое изменение положения объекта вызывает соответствующее ему изменение положения изображения объекта, строящегося на фотоприемнике. Используя известные параметры оптической системы, можно вывести формулу, связывающую изменения расстояния до объекта с изменением положения светового пятна на приемнике. Работу датчика можно пояснить на рис. 2. Излучение лазерного диода фокусируется объективом 1 на поверхности объекта, смещение ?h которого измеряется, отраженный же пучок направляется объективом 2 на фотоприемник (ФП), где его положение ?P регистрируется. Процессор позволяет вычислить величину смещения объекта [2].

Рис. 2. Схема триангуляционного датчика, где:

L0 - расстояние до нулевого положения струны, a0 и a'0 - расстояние от струны и от плоскости ФП до главной плоскости объектива соответственно, Дp - смещение светового пятна на ФП, Дh - смещение струны, б - угол триангуляции.

В настоящее время создан макет триангуляционного блока устройства (рис. 3).

Рис. 3. Макет триангуляционного блока автоматизированного координатомера, где: 1 - струна, 2 - объектив приемного канала, 3 - лазерный диод (ЛД), 4 - ПЗС-линейка, 5 - стойка ЛД, 6 - поворотное устройство, с помощью которого устанавливается угол триангуляции

Этот блок должен обеспечивает измерение смещения струны с погрешностью, не превышающей 50 мкм во всем диапазоне измерений. При разработке макета были определены следующие параметры триангуляционного блока: угол триангуляции:, задний фокус объектива: , рабочее расстояние:, ПЗС-линейка с размером пикселя 8 мкм.

При этом пучок лазерного диода должен иметь гауссовое распределение света и быть отцентрирован таким образом, чтобы перетяжка гауссового пучка была выставлена в центр диапазона измерения [3]. Для этого в макете предусмотрена возможность юстировки блока лазерного диода с помощью стойки 5 (рис. 3). Приемник излучения в координатомере устанавливается под определенным углом г к оптической оси собирающего объектива (рис. 4).

Рис. 4. К пояснению условия Шейпфлюта

Угол г находится при выполнении условия Шейпфлюта:

, (1)

где - увеличение оптической системы.

Плоскость, проходящая через зондирующий луч, оказывается при этом оптически сопряженной с выходной плоскостью, поэтому любая точка зондирования проецируется в плоскость расположения фотоприемника без дефокусировок [4,5]. Для этих целей в установке предусмотрена возможность точного поворота плоскости приемника и подвижки для фокусировки изображения светового пятна. Точность установки приемника определяется дифракционной глубиной T_Д резкости объектива и определяется как:

, (2)

где л - длина волны лазера, А - апертура приемного объектива.

При этом допуск у на установку угла г определяется из выражения:

, (3)

здесь L - длина светочувствительной части приемника, равная 18 мм.

Для оценки положения изображения светового пятна можно использовать различные алгоритмы, основанные на методах обработки изображений. На эту тему проведены исследования и сделаны предположения о наиболее предпочтительных методах для использования в триангуляционной системе.

За основу выбран комплексный метод обработки сигнала, включающий следующие этапы: адаптивное ограничение помех, преобразование Фурье, анализ яркости сигнала и определение параметра фильтра, фильтрация, обратное преобразование Фурье, вычисление центра пятна. Установлено, что использование адаптивного ограничения помех повышает точность измерений на 15% [6,7].

Применение предварительной цифровой фильтрации сигнала с фотоприемника снижает асимметрию импульса и подавляет шумы аналого-цифрового тракта.

На основе анализа различных спектров исходных сигналов установлено, что наиболее целесообразным является использование фильтра с амплитудно-частотной характеристикой, вида:, где N - количество пикселов, используемых для обработки, n - параметр фильтра [6,9].

Макет еще находится в стадии разработки, поэтому не все из перечисленного реализовано. Проверяется целесообразность использования тех или иных компонентов. С этой целью были проведены измерения и расчитана погрешность этих измерений.

В ходе эксперимента аналог струны перемещался вдоль оси лазера в диапазоне от -37 мм до 67 мм. Смещение струны задавалось на скамье и считалось истинным значением. С помощью программного обеспечения измерялось перемещение светового пятна на приемнике: определялся энергетический максимум пятна в первом и втором положении, по разнице между ними вычислялось количество пикселей на которое переместилось пятно, а затем и расстояние в миллиметрах. По величине этого перемещения, используя выведенную ранее формулу, вычислялось смещение струны. Расчет относительной погрешности производился по следующей формуле:

,

где - относительная погрешность измерений в%, - истинное значение смещения струны, мм; - расчетное значение смещения струны, мм; - диапазон измерений, мм.

Результаты эксперимента представлены на графике (рис. 5).

Рис. 5. Зависимость отнсительной погрешности измерений от величины смещения струны.

Из графика видно, что с удалением струны от нулевого положения погрешность измерений растет. Причем, когда струна удаляется от лазера, погрешность увеличивается сильнее, чем при ее перемещении в сторону лазера. Из этого можно сделать вывод, что струна перемещается не строго по оси лазерного пучка, а под некоторым углом, т.е. имеет место перекос. Положение оси ЛД показано на рис. 6.

Рис. 6. Влияние перекоса при смещении струны

Из рис. 6 видно, что есть точка пересечения двух осей, в которой будет наименьшая погрешность измерений, что подтверждается экспериментальными данными (при смещении на -7 мм погрешность минимальна).

Так же было установлено, что чем дальше струна смещается от нулевого положения, тем сильнее размывается световое пятно на ФП, т.е. имеет место расфокусировка, а само пятно состоит из нескольких максимумов (рис. 7).

Рис. 7. Вид светового пятна при смещении струны на 7 мм (рис. А), 37 мм (рис. Б) и 67 мм (рис. В) от нулевого положения.

Расфокусировка не влияет на точность измерений, т.к. для позиционно-чувствительных приемников (которым является и ПЗС-линейка) неважно какой диаметр имеет световое пятно, в любом случае определяется его энергетический центр. Поэтому ФП не обязательно устанавливать под углом Шейпфлюта, что упростит будущую конструкцию координатомера. А вот наличие побочных максимумов и несимметричность пятна, вызванные тем, что используется многомодовый лазер, увеличивают погрешность измерений, а, следовательно, необходимо заменить ЛД на одномодовый.

Список литературы

автоматизированный сигнал координатомер

1. Г. Шрёдер, Х. Трайбер «Мир физики и техники. Техническая оптика». М.: Техносфера, 2006. С. 120-123

2. А.Н. Байбаков, В.И. Ладыгин, А.И. Пастушенко, С.В. Плотников, Н.Т. Тукубаев, С.П. Юношев «Лазерные триангуляционные датчики положения в промышленных

3. Е.В. Волков, С.В. Плотников «Исследование влияния ширины зондирующего пучка на погрешность измерения триангуляционных систем» // Автометрия. 1997. №2. С. 19

4. С.В. Михляев «Триангуляционное зондирование нестационарной поверхности» // Автометрия. 2001. №1. С. 67

5. С.В. Михляев «Анализ оптических триангуляционных систем измерения профиля зеркальной поверхности» // Автометрия. 2005. том 41, №4. С. 78

6. Венедиктов А.З. «Методика проектирования триангуляционных измерительных систем для промышленного контроля и дефектации изношенных деталей» // Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Рязанский государственный радиотехнический университет. Кафедра радиоуправления и связи ГОУВПО. 2006

7. Колючкин В.Я., Нгуен К.М., Чан Т.Х. Алгоритмы обработки информации в системах технического зрения промышленных роботов. Инженерный журнал: наука и инновации, 2013, вып. 9. URL: http://engjournal.ru/catalog/pribor/optica/920.html

8. Плотников С.В. «Сравнение методов обработки сигналов в триангуляционных измерительных системах» // Автометрия. 1995. №6. С. 58

Размещено на Allbest.ru