Оптимизация динамических параметров оптического щупа триггерного типа

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

- характеру поведения спектрограммы (убывание - возрастание) в определенном (одном или нескольких) спектральном диапазоне (критерий №4).

Программа позволяет осуществлять анализ спектрограммы и выдавать результат сравнения по каждому критерию отдельно. Результат анализа появляется в окне «Результат идентификации» и заключается в указании 10 спектрограмм (с названием материалов), которым наиболее полно соответствует полученная спектрограмма.

В процессе эксплуатации программы в эталонную базу было занесено по 25 спектрограмм для 15 материалов. После анализа спектрограмм по критериям идентификации в определенных интервалах длин волн все заложенные материалы прошли успешную идентификацию.

Заключение

В результате выполненной работы:

- установлена возможность использования волоконно-оптической технологии регистрации спектрограмм для дистанционной идентификации строительных материалов;

- разработано программное обеспечение для автоматической обработки результатов спектрального анализа плазменного факела, возникающего в зоне обработки строительного материала под воздействием лазерного излучения.

Выделим достоинства такого способа. Использование одноволоконной схемы построения эксперимента, при которой подача лазерного излучения и перенос информации о плазменном факеле к спектрометру осуществляется по одному и тому же волокну, позволяет проводить идентификацию типа материала без прерывания процесса лазерной обработки. Кроме того, данная схема исследования требует минимального дополнительного технологического оснащения (спектроанализатор, фокусирующая линза и персональный компьютер).

Развитие рассмотренного способа автоматической идентификации типа материала может быть направлено на усовершенствование пакета программного обеспечения для спектроанализатора, а также на увеличение библиотеки идентифицируемых материалов.

Литература

1. Беккер Ю. Спектроскопия. - М.: Техносфера, 2009. - 528 с.

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

3. Терек Т., Мика Й., Гегуш Э. Эмиссионный спектральный анализ: В 2-х частях. - Ч. 2. - М.: Мир, 1982. - 850 с.

Беляева Мария Алекандровна - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет

информационных технологий, механики и оптики, аспирант, Ве1уае-vaMary@maii.ru

Трофимов Владимир Анатольевич - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет

информационных технологий, механики и оптики, кандидат технических наук, доцент, troftu@mai1.ru

УДК 681.787.7

ОПТИМИЗАЦИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОПТИЧЕСКОГО

ЩУПА ТРИГГЕРНОГО ТИПА Е.Е. Майоров, В.Т. Прокопенко, Л.А. Ушверидзе

Предложен способ минимизации влияния спекл-модуляции в оптических щупах триггерного типа на точность измерений. Определена величина дискретности съема информации на основе измерения корреляционной функции огибающей выходного сигнала в нескольких произвольных точках поверхности объекта.

Ключевые слова: интерференционные приборы, оптический щуп, когерентно-ограниченные источники излучения, спеклы, корреляционная функция, опорное зеркало.

Введение

В настоящее время проявляется повышенный интерес к интерферометрическим приборам, в которых используются источники излучения с ограниченной длиной временной когерентности (бесконтактные оптические щупы). Приборы указанного типа имеют ряд преимуществ по сравнению с аналогичными устройствами геометрической оптики. Точность, диапазон измерений, а также расстояние до контролируемой поверхности не зависят от апертурных углов освещения и наблюдения. Когерентно-

ОПТИМИЗАЦИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОПТИЧЕСКОГО ЩУПА ...

ограниченные оптические щупы малогабаритны, удовлетворяют требованиям производственного контроля, просты в эксплуатации [1-3]. В некоторых случаях, таких, например, как исследование поверхностей биологических тканей, бесконтактные оптические щупы являются единственно возможными. Однако, несмотря на определенные успехи в использовании систем с когерентно-ограниченным излучением, остаются нерешенными некоторые вопросы их практического применения, позволяющие повысить точность и воспроизводимость бесконтактных измерений.

Постановка задачи

Рассмотрим принцип работы оптического щупа триггерного типа. Изменение контраста интерференционного поля обусловлено модуляцией разности хода вследствие перемещения измерительной головки. В общем случае при движении зондирующего излучения по поверхности объекта и наличии поперечной компоненты в плоскости регистрации происходит изменение картины спеклов (спекл-модуляция). Скорость этого изменения определяется скоростью поперечного перемещения луча по поверхности. Если увеличить скорость съема информации таким образом, что спеклы в плоскости регистрации за время одного измерения окажутся как бы «заморожены» [3], будем считать задачу решенной.

Сущность предлагаемого способа минимизации влияния спекл-модуляции на точность измерения диффузно отражающего объекта заключается в следующем: за время относительно медленного приближения измерительной головки к поверхности объекта при значительном увеличении скорости съема информации необходимо произвести несколько независимых измерений расстояния до поверхности и затем усреднить их. Для реализации предлагаемого способа вводится дополнительная модуляции разности хода за счет сканирования опорного зеркала. Требования к параметрам сканирования можно представить в виде

I I,

«-¡-, V >> V ,

где 4г - амплитуда сканирования опорного зеркала по оси 02, V - скорость сканирования опорного зеркала; I, - расстояние, на которое смещается измерительная головка за один проход, V, - скорость изменения оптической длины объектного плеча, Vx - скорость поперечного смещения зондирующего пятна по поверхности объекта. При выполнении этих условий, во-первых, за один проход измерительной головки удастся произвести несколько независимых измерений, во-вторых, во время одного измерения спеклы в плоскости регистрации окажутся «заморожены».

Исходя из условий (1), необходимо сформулировать требования к техническим параметрам оптического щупа и решить вопрос о количественном соотношении между скоростями Vx и V, чтобы предлагаемый способ привел к увеличению точности измерений при требуемом диапазоне измерений.

Для решения поставленных вопросов были проведены экспериментальные исследования. Цель эксперимента состояла в определении допустимой скорости поперечного смещения поверхности объекта при фиксированных частоте колебаний паралеллограммного механизма (2 кГц) и скорости сканирования опорного зеркала (400 мм/с). В качестве критерия оценки достижения положительного эффекта применялась величина среднеквадратического отклонения (СКО) расстояния до поверхности объекта.

Результаты исследования оптического щупа триггерного типа

Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1. Диффузно отражающий объект 1 установлен на параллелограммном механизме 2. Колебания механизма возбуждаются генератором 3. Движение объекта происходит вдоль оси X. Измерение расстояния до объекта производится оптическим щупом 4. Для вычисления СКО проводилось 20 независимых измерений.

Важное условие проведения эксперимента - обеспечение идентичности положений объекта и его скорости для каждого из 20 измерений. С этой целью применен датчик скорости 5, состоящий из электромагнитной катушки и постоянного магнита, закрепленного на параллелограммном механизме. Компаратор 6 позволяет выделять моменты времени, соответствующие максимальной скорости движения объекта Vx, тах. В эти моменты компаратор формирует разрешающий сигнал для выдачи информации оптическим щупом. Таким образом, измерение расстояния до объекта производится в моменты максимальной скорости его движения. Поскольку движение объекта происходит по гармоническому закону,

X = хт 5Ш2яу / ,

оценка максимальной скорости производится по амплитуде колебаний параллелограммного механизма:

= ¿х

х'тах ё,

= 2лХтV ,

,=0

где хт - амплитуда механических колебаний; V - частота колебаний. Изменение скорости движения объекта задавалось изменением амплитуды выходного напряжения генератора. Параметры эксперимента: скорость перемещения опорного зеркала V = 400 мм/с; длительность выходного сигнала ^ по уровню 0,1 = 50 мкс; размер зондирующего пятна ё = 40 мкм; частота колебаний параллелограммного механизма V = 23 Гц.

6 4

Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - объект; 2 - параллелограммный механизм; 3 - возбуждающий генератор; 4 - оптический щуп; 5 - датчик скорости; 6 - компаратор; Э - зондирующий

пучок

На рис. 2 представлена полученная зависимость СКО измерений расстояния до объекта ст г от скорости движения объекта V, тж- Видно, что поперечное смещение поверхности относительно щупа практически не сказывается на точности измерений до скорости порядка 60 мм/с. Поскольку при проведении эксперимента скорость перемещения опорного зеркала оставалась неизменной, можно сделать вывод, что при скорости поперечного смещения объекта, равной 60 мм/с, нижний предел скорости сканирования опорного зеркала (скорости модуляции оптической разности хода) составляет 400 мм/с.

На практике более полезной является зависимость ст2 = ст2 (ет) (рис. 2, б), где величина равна

отношению величины смещения зондирующего пятна за время одного измерения т1 к размеру пятна ё:

V.

ст2, мкм 2,5 2

1,5 1

0,5 0

ё

100 а

200 Ух max, мм/с

ст2, мкм 2,5 2 1,5 1

0,5 0

0,07 0,14 0,21 б

0,28

Рис. 2. Результаты исследования зависимости СКО измерений расстояния до объекта от скорости поперечного смещения поверхности объекта относительно щупа (а) и относительного смещения зондирующего пятна за время одного измерения (б) при фиксированной скорости сканирования опорного

зеркала

Для обеспечения независимости серии измерений с последующим усреднением их результатов поставлена задача определения их временного шага. С этой целью определена корреляционная функция [2-4]

Я(Ах) = -

| и(х, Аг) и(х + Ах, Аг) ёАг

да

| и2 (х, Аг)ёАг

где и(х, Аг) - огибающая выходного сигнала; Ах - шаг измерений. Для определения средней величины Я (Ах) величины и(х1, Аг) и и(х +Ах, А) для каждого значения Ах снимались в десяти произвольных точках поверхности объекта х1 .

Результаты измерений для различных углов падения зондирующего излучения представлены на рис. 3. Видно, что отдельные измерения можно считать независимыми, если при смещении объекта в поперечном направлении измерения проводить с шагом 7-10 мкм.

х

max 1

К

I

ОПТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ

R i

1

0 5 10 15 Ах, мкм

—•— 0 = 45°, —о — 0 = 0°

Рис. 3. Зависимость корреляционной функции измерения расстояния до объекта от поперечного смещения объекта Лх при различных углах падения 9 зондирующего излучения

Заключение

Получены результаты, имеющие практическое значение при использовании щупа триггерного типа для бесконтактных измерений. Определены дискретность измерений и граница допустимой скорости движения контролируемой поверхности при динамических измерениях.

Литература

1. Гуров И.П., Ли Ган. Интерферометрические методы и устройства контроля смещений негладких поверхностей. I. Методы и устройства с регистрацией неподвижных интерференционных картин // Оптика и спектроскопия. - 1998. - Т. 84. - № 1. - С. 129-138.

2. Большаков О.П., Котов И.Р., Майоров Е.Е., Хопов В.В. Исследование оптического щупа с частично когерентным источником излучения // Научное приборостроение. - 2003. - Т. 13. - № 2. - С. 47-51.

3. Майоров Е.Е. Теоретический анализ точности измерения формы диффузно отражающего объекта с помощью интерферометра с источником ограниченной когерентности // Современные технологии: Труды молодых ученых СПбГУ ИТМО. - 2001. - С. 61-63.

4. Hausler G., Lindner M.W. Coherence radar and spectral radar - new tools for dermatological diagnosis // F.Biomed. Opt. - 1998. - V. 3. - № 1. - P. 21-31.

Майоров Евгений Евгеньевич - Северо-Западный государственный медицинский университет имени

И.И. Мечникова, кандидат технических наук, доцент, majorov_ee@mail.ru Прокопенко Виктор Трофимович - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет

информационных технологий, механики и оптики, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой, prokopenko@mail.ifmo.ru Ушверидзе Лариса Александровна - Северо-Западный государственный медицинский университет имени

И.И. Мечникова, кандидат технических наук, доцент, larisha6@yandex.ru

УДК 621.746

ОПТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ПРОИЗВОДСТВА ПОРШНЕВЫХ КОЛЕЦ В.И. Маслов, А.И. Арустамян, В.Ф. Минаков

Выполнены экспериментальные исследования спектральных характеристик отражения объекта позиционирования (ковша с расплавленным металлом) спектрофотометром фирмы X-Rite (Швейцария), доказана возможность представления спектральной характеристики линейно-гармоническими функциями при обеспечении метрологического класса точности.

Ключевые слова: качество, поршневые кольца, спектральная характеристика.

Введение. Постановка задачи

Жесткая конкуренция на мировых и внутренних рынках продукции машиностроения требует повышения качества выпускаемых отечественным производством изделий. Мировые лидеры машиностроения после глобального кризиса 2008 г. ориентируются на перманентное внедрение инновационных решений, в том числе - технологических. Именно такой подход позволяет им обеспечивать высокое качество продукции, а соответственно - ее конкурентоспособность. Для достижения стабильности показателей качества продукции на предприятиях машиностроения внедряется система всеобщего управления