ГРАФО-ПРОЕКЦИОННЫЙ МУАРОВЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ
GRAPH-PROJECTION MOIRE METHOD OF MEASUREMENT

Изобретение относится к области проведения измерений и может применяться для измерений различных объектов.
Известен способ измерения геометрических несовершенств объектов вручную, заключающийся в использовании для проведении измерений объектов различных измерительных устройств и приспособлений (Кузяков О.Н., Кучерюк В.И. Методы и средства измерения топологии поверхности, перемещений и деформаций. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2002. - 172 с). Известный способ получил широкое использование в дефектоскопии благодаря тому, что он позволяет точно определить местонахождение и размеры дефектов. Главными недостатками известного способа являются его трудоемкость, большие потери времени и существенные денежные затраты при обследовании больших объектов.
Известен теневой муаровый способ измерения формы и перемещений поверхности объекта (Теокарис П. Муаровые полосы при исследовании деформаций. - М.: Мир, 1972. - 336 с.), заключающийся в использовании для проведения измерений фотокамеры, проектора и эталонного растра, изготовленного из стекла или прозрачного пластика, установленного у поверхности объекта, на некотором расстоянии от фотокамеры и проектора. Проектор устанавливают под углом к эталонному растру, фотокамеру устанавливают перпендикулярно эталонному растру, при этом оптические оси фотокамеры и проектора пересекаются в одной точке на поверхности эталонного растра. При проектировании проектором пучка света на эталонный растр, на поверхности объекта возникает картина муаровых полос, которую можно наблюдать на фотокамере.
Достоинствами известного способа являются высокая чувствительность и простота реализации. Недостатками известного способа является необходимость перемещения эталонного растра, ограничение площади поверхности исследования и ограничение его использования при наличии выступающих частей поверхности исследуемого объекта.
Известен проекционный муаровый способ (Новицкий В.В. Новые исследования по методу муаров // Расчет пространственных конструкций. - М: Стройиздат, вып. 11, 1967.), заключающийся в использовании для проведения измерений проектора и матовой пластины, на которую нанесен эталонный растр. При помощи проектора на матовую пластину проектируются объектные растры, снятые на пленку фотоаппарата. Поворот объектных растров осуществляется совместно с проектором при помощи поворотных устройств. Муаровые полосы образуются за счет поворота проектируемого объектного растра на угол 3-10° относительно начального положения.
Известный способ не получил распространения из-за низкой чувствительности и необходимости применения контрольных растров.
Известен электронно-проекционный муаровый способ измерения формы и перемещений поверхности объекта (RU 2065570 C1, МПК6 G01N 21/00, опубл. 20.08.96), заключающийся в использовании для проведения измерений фотокамеры, проектора и компьютера с программным комплексом, обеспечивающим сложение модели эталонного растра - «мнимого» растра, заданного по формуле, и объектного растра, полученного с фотокамеры. Таким образом, известный способ моделирует теневой муаровый способ.
Достоинством известного способа является возможность бесконтактного исследования поверхностей значительных размеров с выступающими частями и имеющими повышенную температуру.
Недостатками известного способа является накапливание погрешностей при построчном сканировании объектного растра и трудоемкость его обработки.
Известный способ является наиболее близким к заявляемому техническому решению и принят за прототип.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является расширение технических возможностей графо-проекционного муарового способа измерений.
Техническим результатом применения предлагаемого технического решения является повышение точности определения топологии поверхности объектов, повышение качества распознавания, повышение точности измерений.
Указанный технический результат достигается тем, что для осуществления метода используют фотокамеру и проектор, управление оптической системой осуществляют при помощи компьютера, при этом проектор устанавливают под углом к поверхности исследуемого объекта, а фотокамеру перпендикулярно к поверхности исследуемого объекта. В компьютер заложено изображение «мнимого» растра, полученного заранее в лабораторных условиях на определенном расстоянии. «Мнимый» растр может быть получен в лабораторных условиях при помощи типографического растра, с использованием проектора или задан как математическая модель. В компьютере задается эталонный растр, параметры которого зависят от расстояния до исследуемого объекта. При помощи проектора эталонный растр проецируется на исследуемый объект. Затем фотокамерой осуществляют сканирование объектного растра, и в цифровом формате по линии связи изображение передается на компьютер. В компьютере, в установленном программном обеспечении, происходит сложение «мнимого» растра и объектного растра и получение картины муаровых полос. Далее, в программном обеспечении, установленном на компьютере, по заданным формулам вычисляют центры муаровых полос на поверхности исследуемого объекта, расстояния от центров муаровых полос до плоскости «мнимого» растра, расстояния от центров муаровых полос до оптической системы и величины деформаций.
В заявленном техническом решении получение «мнимого» растра происходит при помощи типографического растра и фотокамеры, с использованием проектора, фотокамеры и плоской поверхности, либо как математической модели, для повышения качества картин муаровых полос применяют «мнимый» растр и объектный растр разной контрастности и цвета.
Принцип реализации графо-проекционного муарового способа измерения представлен на фиг. 1, на фиг. 2 и 3, где показан процесс получения «мнимого» растра, на фиг. 4 показана схема вычисления расстояния от оптической системы, включающей проектор и фотокамеру, до поверхности обследуемого объекта, на фиг. 5 показана структурная схема алгоритма графо-проекционного муарового способа измерения.
Для повышения качества картин муаровых полос, в отличие от известного способа, принятого за прототип, могут применяться «мнимый» растр 3 и объектный растр 9 разной контрастности и цвета, при пересечении линий которых образуется более контрастная картина муаровых полос, что повышает качество распознавания.
Для осуществления графо-проекционного муарового способа измерения необходимы фотокамера 1 и проектор 2, устанавливающиеся на одной поворотной платформе. Регулировка оптических осей проектора и фоторегистрирующего устройства, а также поворот платформы осуществляется дистанционно шаговыми двигателями. Это позволяет исследовать начальные несовершенства цилиндрических поверхностей (резервуаров). (Кучерюк В.И., Якубовский Ю.Е. Определение начальной погиби оболочек теневым муаровым методом // Заводская лаборатория, М.: 1983, №2, с. 77-80). Управление оптической системой осуществляется посредством компьютера 5 (фиг. 1). Проектор 2 устанавливают под углом к поверхности исследуемого объекта 4, а фотокамеру 1 - перпендикулярно к поверхности исследуемого объекта 4.
В компьютер 5 заложено изображение «мнимого» растра 3, полученного заранее в лабораторных условиях на расстоянии d (фиг. 2, 3). «Мнимый» растр 3 для расстояния d может быть получен:
- при помощи типографического растра 10 и фотокамеры 1 (фиг. 2);
- с использованием проектора 2, фотокамеры 1 и плоской поверхности 11 (фиг. 3);
- как математическая модель.
«Мнимый» растр 3 для расстояния d при помощи типографического растра 10 и фотокамеры 1 может быть получен следующим образом (фиг. 2). Плоский типографический растр 10 с шагом полос а располагают на расстоянии d от фотокамеры 1, расположенной перпендикулярно к типографическому растру 10. При помощи фотокамеры 1 осуществляют сканирование объектного растра и передачу его в цифровом формате по линии связи 6 на компьютер 5. В компьютере 5, в установленном программном обеспечении, происходит обработка полученного изображения и получение «мнимого» растра 3 для расстояния d.
«Мнимый» растр 3 для расстояния d может быть задан как математическая модель. В этом случае объектный растр, получаемый при обследовании объекта, также переводится в математическую модель, и эталонный и объектный растр складываются при помощи известных формул определения шага полос.
Исследование объекта 4 при помощи графо-проекционного муарового способа измерения проводят следующим образом (фиг. 1).
В компьютере 5, в установленном программном обеспечении, задают эталонный растр с шагом полос а, параметры которого зависят от расстояния до исследуемого объекта 4.
При помощи проектора 2 эталонный растр проецируют на поверхность объекта 4.
Затем фотокамерой 1 осуществляют сканирование объектного растра 9 и в цифровом формате по линии связи 6 изображение передается на компьютер 5.
В компьютере 5, в установленном программном обеспечении, происходит сложение «мнимого» растра 3 для расстояния d и объектного растра 9, получение и обработка картины муаровых полос. При этом должно соблюдаться условие
п
ф
a=a,
п
ф
где a - шаг полос проектора 2 при заданном расстоянии d, a - шаг полос фотокамеры 1 при заданном расстоянии d.
При наложении «мнимого» растра 3 и объектного растра 9 разной контрастности и цвета, после обработки, места пересечения темных линий «мнимого» растра 3 и объектного растра 9 образуют контрастную картину муаровых полос.
Далее в программном комплексе, установленном на компьютере 5, по заданным формулам вычисляют центры муаровых полос на поверхности объекта 4, расстояния h от центров муаровых полос до плоскости «мнимого» растра 3, расстояния D от центров муаровых полос до оптической системы, включающей фотокамеру 1 и проектор 2 и величины деформаций (фиг. 5).
Расстояние D от центров муаровых полос до оптической системы, включающей фотокамеру 1 и проектор 2, определяют по формуле
D=d+h,
где d - расстояние от оптической системы до плоскости «мнимого» растра 3, h - расстояние от центров муаровых полос до плоскости «мнимого» растра 3.
Расстояние h от центров муаровых полос до плоскости «мнимого» растра 3 определяется по формуле
<mrow><mi>h</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>n</mi><mi>a</mi></mrow><mrow><mi>tan</mi><mi>α</mi></mrow></mfrac></mrow>
,
где а - шаг полос «мнимого» растра 3, n - порядок полосы, α - угол падения лучей проектора.
Шаг полос а «мнимого» растра 3 определяется по формуле
эm
a=ma,
эm
где m - масштаб «мнимого» растра 3, a - шаг полос «мнимого» растра 3, определяемый путем прямых измерений при получении «мнимого» растра 3 для расстояния d в лабораторных условиях.
Масштаб мнимого растра 3 определяют по формуле (фиг. 5)
<mrow><mi>m</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>d</mi><mrow><mi>э</mi><mi>m</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>d</mi><mo>∂</mo></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
эm
∂
где d - расстояние до «мнимого» растра 3, d - расстояние до задаваемого «мнимого» растра 12.
С учетом угла падения лучей для каждой точки, угол падения лучей проектора определяют по формуле
<mrow><mi>arccos</mi><mi>α</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>cos</mi><msub><mi>α</mi><mi>υ</mi></msub></mrow><mrow><msqrt><mrow><msup><mi>d</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mi>y</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>d</mi><mi>x</mi><mi>sin</mi><msub><mi>α</mi><mi>υ</mi></msub></mrow></msqrt></mrow></mfrac></mrow>
,
υ
где d - расстояние от фокуса фотокамеры до центра светового пятна на поверхности объекта, α - угол между центральным лучом и нормалью к поверхности объекта, x, y - координаты точки поверхности объекта.