Программно-технический комплекс для исследования механических колебаний по динамике частотно-контрастной характеристики в изображении тест-объекта

Актуальность темы

диссертации. Актуальность работы состоит в исследовании движения материальных объектов и взаимодействия между ними по параметрам вибрации, возникающей, например, при механической обработке металлов, перемешивании сыпучих материалов, движении соприкасающихся поверхностей, выполненных из наноматериалов, динамическом воздействии на мостовые пролеты и т. д. [1−8].

Разработано большое количество методов и средств, позволяющих измерять параметры гармонической вибрации. Существует две группы методов измерения параметров вибрации: контактные, подразумевающие механическую связь датчика с исследуемым объектом, и бесконтактные, т. е. не связанные с объектом механической связью [9].

Наиболее простыми являются контактные методы измерения вибрации. Они позволяют проводить измерения с высокой точностью в диапазоне низких частот и относительно больших амплитуд вибрации, но вследствие своей высокой инерционности, приводящей к искажению формы сигнала, становится невозможным измерение вибрации высокой частоты и малой амплитуды. Кроме того, если масса исследуемого объекта, а, следовательно, и его инерционность не велика, то такой датчик может существенно влиять на характер вибрации, что вносит дополнительную ошибку в измерения.

В настоящее время классифицируют три группы бесконтактных методов измерения вибрации: ультразвуковые, радиоволновые и оптические. Использование ультразвуковых методов ограничивают невысокая разрешающая способность (виброперемещения от 10 мкм), сильное затухание ультразвука в воздухе, зависимость от состояния атмосферы. Недостатками СВЧ-преобразователей является необходимость выполнения сложных процедур калибровки при смене объекта или изменении расстояния до него, зависимость от состояния атмосферы. Недостатками существующих оптических методов являются жесткие требования к состоянию атмосферы, к качеству и к температуре поверхности исследуемого объекта.

Указанных недостатков лишен метод, основанный на использовании стробоскопического эффекта, однако он обеспечивает измерение только частоты вибрации. Существует метод измерения размаха вибрации по размытию изображения (E.Rule, FJ. Suellentrop and T.A.Peris Optical Method for Measurement of Vibration Amplitudes, «Rev. Scientif. Instrum.», 1959, № 1, p.40−41), но он не обеспечивает измерение частоты вибрации [10]. Современные высокоскоростные видеокамеры позволяют объединить указанные методы и реализовать устройство, сочетающее в себе их положительные качества. Изменение контраста изображения штрихов при их смещении изучал О’Нейл [11]. Его теоретические результаты могут быть положены в основу создания нового метода измерения частоты и размаха вибрации.

В простейшем варианте эти методы были реализованы в устройстве для визуального контроля частоты и размаха гармонической вибрации с помощью ПЗС-матрицы [12−14]. Однако недостатками этого устройства является то, что процесс контроля не автоматизирован, и не исследован процесс изменения контраста в изображении парных штрихов при полигармонической вибрации.

Исследования, представленные в диссертационной работе, выполнялись в рамках программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (У.М.Н.И.К.) Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере «Разработка интеллектуальных оптических средств контроля параметров вибрации объекта, основанных на применении генетического алгоритма» (Договор № 17/нрот"10″ декабря 2008 г., договор № 28/нрот"20″ апреля 2010 г.).

Целью работы является создание нового оптического метода и программно-технического комплекса измерения частоты и размаха вибрации, основанного на использовании стробоскопического эффекта и эффекта 6 изменения контраста в оптическом изображении тест-объекта в виде парных параллельных штрихов с различными пространственными частотами.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить задачи;

1. Выполнить аналитический обзор методов и средств измерения параметров вибрации и обосновать необходимость создания нового оптического метода и средства измерения частоты и размаха вибрации.

2. Разработать модель изменения контраста в изображении тест-объекта в виде парных штрихов с различными пространственными частотами в зависимости от частоты и размаха полигармонической вибрации при условии стробоскопического эффекта и от задаваемых параметров видеокамеры.

3. Провести экспериментальные исследования изменения контраста в изображении парных штрихов в зависимости от их пространственной частоты, размаха и частоты гармонической вибрации, а также от времени накопления линейного ПЗС-фотоприемника.

4. Разработать программно-технический комплекс для измерения частоты и размаха гармонической вибрации.

Объектом исследования является оптический метод измерения частоты и размаха гармонической вибрации, основанный на стробоскопическом эффекте и эффекте изменения контраста в динамическом изображении парных штрихов.

Методы и достоверность результатов исследований. В процессе выполнения поставленных задач были использованы теоретические и экспериментальные методы исследований. Для калибровки экспериментальной установки использовали генератор сигналов низкой частоты ГЗ-118 с погрешностью 0,01 Гц, объект-микрометр в проходящем свете (ОМП) с ценой деления шкалы 0,01 мм, которые обеспечивали высокую точность определения частоты вибрации, амплитуды вибрации и размеров штрихов тест-объекта.

Положения, выносимые на защиту;

1. Модель изменения контраста в динамическом изображении параллельных парных штрихов в зависимости от частоты и размаха стационарной вибрации тест-объекта, на котором расположены парные штрихи, а также от кадровой частоты и времени экспозиции видеокамеры.

2. Экспериментальная установка для исследования параметров гармонической вибрации, которая содержит звуковой генератор синусоидальных колебаний, динамик, на диффузоре которого закреплен тест-объект, видеокамеру и персональный компьютер.

3. Экспериментальные исследования изменения контраста в изображении парных штрихов от параметров стационарной вибрации.

4. Средство измерения параметров гармонической вибрации и программное обеспечение для обработки изображения тест-объекта.

Научная новизна полученных результатов.

1. На основе теории О’Нейла разработана и экспериментально подтверждена модель изменения контраста в динамическом изображении тест-объекта в виде параллельных парных штрихов в зависимости от их пространственной частоты, частоты и размаха вибрации тест-объекта, а также от кадровой частоты и времени экспозиции ПЗС-фотоприемника.

2. Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что нулевой контраст в изображении парных штрихов возникает в той паре, которая имеет размер штрихов равный размаху вибрации, при условии равенства кадровой частоты ПЗС-фотоприемника частоте вибрации (стробоскопический эффект).

3. Введено новое понятие «частотно-контрастная характеристика стробоскопического эффекта» для разработанной математической формулы, по которой определяют диапазон пространственных частот в штрихах тест-объекта и изменение контраста в них.

4. Обнаружен эффект оптических биений в изображении вибрирующих парных штрихов, который возникает при наложении двух гармонических 8 колебаний с близкими частотами и проявляется в периодическом изменении контраста.

Практическая значимость работы. На основе стробоскопического эффекта и признака нулевого контраста разработан программно-аппаратный комплекс для измерения частоты и размаха вибрации. Применение генетического алгоритма позволило увеличить быстродействие при измерении частоты вибрации.

Реализация результатов исследований. Разработанное средство апробировано при измерении параметров вибрации мостовых пролетов и внедрено в лаборатории ООО «Малое инновационное предприятие сельскохозяйственного назначения АлтГТУ» для исследования вибраций механических установок по перемешиванию жидких кормов.

Апробация работы. Материалы работы обсуждались на научно-технических семинарах кафедры информационных технологий АлтГТУ, а также докладывались на различных конференциях, среди которых: Международная научно-практическая конференция «Виртуальные и интеллектуальные системы» (Барнаул, 2008;2011), XV Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технология» (Томск, 2009), VII Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии» (Томск, 2009), I научно-практическая конференция «Информационно-измерительная техника и технологии» (Томск, 2010), XLVIII Международная научная студенческая конференция «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2010), Четвертая всероссийская научно-практическая конференция «Компьютерная интеграция производства и ИПИ-технологии» (Оренбург, 2009), Всероссийская научно-техническая конференция студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых «Молодая мысль: Наука, технологии и инновации» (Братск, 2010), Международная научнопрактическая конференция «Современные направления теоретических и прикладных исследований 2010» (Одесса, 2010).

Публикации. По материалам исследований диссертации опубликованы 32 печатные работы, из них 5 статей в рецензируемых журналах, 2 монографии, 2 свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ.

Личный вклад автора.

Автором получены все основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, осуществлена обработка полученных данных, разработан метод и средство для измерения размаха и частоты вибрации, написано программное обеспечение, реализующее разработанный метод.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Общий объем диссертации составляет 106 страниц, включая 32 рисунка, 2 таблицы.

Выводы.

1) Разработано средство для исследования параметров гармонической вибрации, состоящее из видеокамеры с изменяемой кадровой частотой, генератора низкочастотных электрических сигналов, тест-объекта и персонального компьютера. Средство позволяет исследовать гармонические вибрации в диапазоне изменения частот от 1 до 88 Гц и от 17 до 2000 Гц. Разработаны и изготовлены 2 тест-объекта, которые позволяют измерять размах вибрации в диапазоне от 0,01 до 0,10 мм с шагом 0,01 мм и в диапазоне от 0,17 мм до 0,9 мм с шагом 0,08.

2) Разработано программное обеспечение обработки видеосигнала для измерения размаха и частоты вибрации в автоматическом режиме в среде программирования Visual Studio 2005 с помощью языка программирования С++.

3) Для увеличения производительности измерения частоты вибрации предложен и реализован генетический алгоритм. Применение генетического алгоритма сокращает время измерения на порядок.

4) Разработанное средство измерения параметров гармонической вибрации внедрено в лаборатории ООО «Малое инновационное предприятие сельскохозяйственного назначения АлтГТУ» для исследования вибраций механических установок по перемешиванию жидких кормов. Установлено, что основная вибрация установки имеет частоту 6,5 Гц и размах 170 мкм.

Разработанное средство апробировано при измерении параметров вибрации мостовых пролетов на расстоянии 30 м.

Заключение

.

1) Разработан новый оптический метод измерения параметров гармонической вибрации на основе применения стробоскопического эффекта и регистрации нулевого контраста, позволяющий измерять частоту и размах вибрации на расстоянии до 30 метров. Ограничение измерения размаха вибрации связано с технической реализацией тест-объекта (до 2 мкм) и максимальной кадровой частотой видеокамеры (до нескольких мегагерц).

2) Разработана модель изменения контраста в динамическом изображении параллельных парных штрихов в зависимости от их пространственной частоты, частоты и размаха гармонической вибрации тест-объекта, а также от кадровой частоты и времени экспозиции видеокамеры. Модель позволяет определять параметры тест-объекта, электрические параметры видеокамеры с целью реализации устройства измерения параметров гармонической вибрации исследуемого объекта.

3) Теоретически и экспериментально установлено, что при времени экспозиции равном времени кадра, а также равенстве частоты вибрации частоте видеокамеры, контраст в изображении штрихов остается неизменным во времени. При этом нулевой контраст наблюдается в той паре штрихов, в которой размеры штрихов равны размаху вибрации.

4) Теоретически и экспериментально установлено, что при наличии двух гармоник в сигнале, который создает вибрацию тест-объекта, в штрихах наблюдаюся периодические изменения контраста. В случае, когда размахи двух гармоник равны и их частоты близки, путь, проходимый тест-объектом, изменяется от кадра к кадру от нуля до учетверенного размаха гармоники. Этот результат характерен для известного физического эффекта биений. Во временных точках, когда путь равен нулю, наблюдается положительный контраст одновременно во всех парных штрихах независимо от пространственной частоты. При этом период изменения положительного контраста равен периоду биений.

5) Разработано средство для исследования параметров гармонической вибрации, состоящее из видеокамеры с изменяемой кадровой частотой, генератора низкочастотных электрических сигналов, тест-объекта и персонального компьютера. Средство позволяет исследовать гармонические вибрации в диапазоне изменения частот от 1 до 88 Гц с погрешностью 0,1 Гц и от 17 до 2000 Гц с погрешностью 0,1 Гц. Разработаны и изготовлены тест-объекты, которые позволяют измерять размах вибрации в диапазоне от 0,01 до 0,1 мм с дискретностью 0,01 мм и от 0,17 мм до 0,91 мм с дискретностью 0,08 мм. Разработано программное обеспечение обработки видеосигнала для измерения размаха и частоты вибрации в автоматическом режиме в среде программирования Visual Studio 2005 с помощью языка программирования С++.

6) Для увеличения производительности измерения частоты вибрации предложен и реализован генетический алгоритм. Применение генетического алгоритма сокращает время измерения частоты в диапазоне от 20 до 50 Гц в среднем в 50 раз (до 10 секунд).