УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТОВ

Устройство относиться к отраслям науки и техники где ведется аттестация качества материалов и предназначено для использования в технической диагностике материалов и ответственного оборудования (авиация, атомная энергетика, химическая промышленность, строительство и др.).
Известно устройство для контроля механического состояния объектов, реализующее способ определения напряжения и деформации в нагруженном объекте, при котором его освещают когерентным излучением лазера до нагружения и после него и получают пару совмещенных спекл-изображений, преобразуемых в дифракционную картину, по анализу которой определяют величину деформаций и напряжений в различных точках упругодеформированного объекта; устройство содержит когерентный источник света (лазер), телекамеру, интерфейс и компьютер [1].
Недостатки указанного устройства заключаются, во-первых, в незначительной области применения, т.к. невозможен анализ больших деформаций, невозможен анализ топологии поверхности и внутреннего состояния материала, во-вторых, в низкой точности работы, в-третьих, в низком быстродействии.
Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и достигаемому результату является устройство для контроля механического состояния объектов, содержащее некогерентный источник света, блок управления подсветкой, светофильтр, блок увеличения изображения, телевизионную камеру, буферное запоминающее устройство, интерфейс, монитор, электронную вычислительную машину (ЭВМ), дисплей, дополнительный интерфейс, первый и второй блоки управления, блок дискретных перемещений и поворотов и блок переключения [2].
Недостатками известного устройства являются, во-первых, незначительной областью применения, т.к. невозможен анализ внутреннего состояния материала (т.е. поиск несплошностей - трещин или мусора), во-вторых, низкой точностью работы (диагностики) из-за невозможности анализа дополнительной информации о внутреннем состоянии материала, в-третьих, низким быстродействием из-за механической реализации некогерентного источника света. Отмеченные недостатки не позволяют широко использовать известное устройство в технической диагностике материалов и объектов.
Задачей является создание устройства, расширяющего функциональные возможности, повышающего быстродействие и точность диагностики материалов и оборудования.
Поставленная задача достигается тем, что, как и известное, заявляемое устройство содержит объект исследования, некогерентный источник света, светофильтр, блок управления подсветкой, блок увеличения изображения, телевизионную камеру, буферное запоминающее устройство, первый и второй блоки управления, блок переключения, интерфейс, дополнительный интерфейс, монитор, дисплей и электронно-вычислительную машину.
Отличием предлагаемого устройства от известного является то, что оно дополнительной двунаправленной связью подключено через связанные второй дополнительный интерфейс, второй дополнительный блок управления, соединенный с первым дополнительным блоком управления, механический блок сканирования, первым выходом подключенным к приемнику акустических сигналов, а вторым выходом подключенным через последовательно соединенные источник акустических сигналов, объект исследования, приемник акустических сигналов и блок обработки сигналов, к дополнительному запоминающему устройству, подключенному двунаправленной связью ко второму дополнительному интерфейсу, причем источник и приемник акустических сигналов отдельными двунаправленными связями соединены с первым дополнительным блоком управления.
Кроме того, светофильтр выполнен в виде последовательно расположенных коллиматора, полупрозрачного зеркала и входного объектива.
Кроме того, плоскость полупрозрачного зеркала светофильтра установлена под 45 градусов к оптической оси коллиматора и входного объектива, причем полупрозрачное зеркало обеспечивает отражение света, исходящего от некогерентного источника света через коллиматор, на входной объектив и объект исследования, и пропускание света, отраженного от объекта исследования через входной объектив на блок увеличения изображения (выходной объектив) на фотоприемник телевизионной камеры.
Кроме того, некогерентный источник света выполнен в виде источников света, расположенных вокруг оптической оси.
Кроме того, источники света некогерентного источника света включаются одновременно или поочередно.
Кроме того длина волны излучения источников света соответствует длине волны фотоприемника телевизионной камеры.
Отличительным признаками предлагаемого устройства от указанного выше известного, наиболее близкого к нему, являются, введение приемника и источника акустических сигналов дополнительных блока управления, запоминающего устройства, второго блока управления и интерфейса, блока обработки сигналов и механического блока сканирования, а также выполнение светофильтра в виде последовательно расположенных коллиматора, полупрозрачного зеркала и входного объектива.
Благодаря наличию этих признаков при работе предлагаемого устройства обеспечивается одновременно поверхностный и внутренний анализ материала (объекта), причем при поверхностном анализе осуществляется точное восприятие (считывание) оптического изображения поверхности материала.
Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1 - фиг.3.
На фиг.1 дана структурная схема устройства.
На фиг.2 дана схема оптического тракта устройства.
На фиг.3 приведен график зависимости собственных частот колебаний объекта от длины трещины.
На фиг.1 даны следующие обозначения:
1 - некогерентный источник света (НИС);
2 - блок управления подсветкой (БУП);
3 - объект исследования (ОИ);
4 - светофильтр (С);
5 - блок увеличения изображения (БУИ);
6 - телевизионная камера (ТК);
7 - буферное запоминающее устройство (БЗУ);
8 - интерфейс (И);
9 - монитор (М);
10 - электронная вычислительная машина (ЭВМ);
11 - дисплей (Д);
12 - дополнительный интерфейс (ДИ);
13 - первый блок управления (1БУ);
14 - второй блок управления (2БУ);
15 - блок дискретных поворотов и перемещений (БДПП);
16 - блок переключения (БП);
17 - источник акустических сигналов (ИАС);
18 - приемник акустических сигналов (ПАС);
19 - первый дополнительный блок управления (1ДБУ);
20 - механический блок сканирования (МБС);
21 - второй дополнительный блок управления;
22 - блок обработки сигналов;
23 - дополнительное запоминающее устройство (ДЗУ);
24 - второй дополнительный интерфейс (2ДИ). На фиг.1 показаны следующие связи:
(➔) - механические связи;
(➾) - электрические (многопроводные) связи;
(→) - электрические (однопроводные) связи;
(⇢) - оптические связи. На фиг.2 даны следующие обозначения:
3 - объект исследования (ОИ);
4 - светофильтр (С);
5 - блок увеличения изображения (БУИ) - выходной объектив;
6 - телевизионная камера (ТК);
25 - входной объектив (ВхОб);
26 - инфракрасный источник (ИИ);
27 - коллиматор (К);
28 - полупрозрачное зеркало (ПРЗ).
Устройство работает в двух режимах: подготовка эталона и измерение (контроль поверхности и внутреннего состояния материла). В режиме подготовки эталона формируется эталонное изображения (ЭИ) недеформированного участка поверхности материала. Для этого по сигналу от ЭВМ 10 через интерфейс 8, ДИ12 и БУП2 включается НИС1, освещающий через светофильтр 4 контролируемую поверхность объекта 3.
Схема оптического тракта устройства (т.е. НИС1, С4, БУИ5) функционирует следующим образом. Инфракрасный источник (ИИ) 26, являющийся элементом НИС1, излучает свет, который коллиматор 27 направляет на полупрозрачное зеркало (ППЗ) 28, обеспечивающее отражение этого света на входной объектив 25. Этот объектив создает равномерное освещение объекта исследования 3. Отраженный свет от объекта 3 проходит через входной объектив 25, полупрозрачное зеркало 28, БУИ5 и поступает на телевизионную камеру 6. Светотехнические параметры (напр., длина волны света) инфракрасного источника 26 и телевизионной камеры 6 согласованы (электрически и конструктивно). Это исключает появление бликов (световых помех) на исследуемой поверхности. Кроме того, в качестве инфракрасного источника света 26 используются светодиоды, которые располагаются вокруг оптической оси. Количество и частота включения светодиодов определяется типом материала, поверхность которого обладает конкретными светоотражающими характеристиками. Управляет работой светодиодов БУП2.
При таком освещении не возникают никаких мешающих эффектов (бликов) даже при наличии отполированных участков поверхности, так как любой направленный блик будет отфильтрован.
Изображение, соответствующее недеформированному состоянию участка поверхности (т.е. ЭИ), увеличивается БУИ5 до необходимого масштаба, определяемого требуемой разрешающей способностью оценки параметров деформации. Регулировка масштаба осуществляется вторым БУ14 по сигналам от ЭВМ 10 (через И8 и ДИ12). В качестве БУИ5 используется оптический микроскоп с управляемой оптикой (объективом). Увеличенное изображение с БУИ5 проецируется на фотоприемник ТК6, преобразуется в электрический сигнал и записывается в БЗУ7. Варианты используемых камер, характеризующиеся высокой разрешающей способностью, описаны в [6, с.202, рис.5.22]. При записи изображений в БЗУ7 с ТК6 снимается и подается видеосигнал, а с БЗУ7 на ТК6 подаются две последовательности синхроимпульсов (строчный и кадровый). Далее изображение переписывается в память ЭВМ 10 (через И8). После этого с помощью первого БУ13, БДПП15 и БП16 осуществляется смещение НИС1, светофильтра 4, БУИ5, ТК6 для считывания второго участка поверхности (кадра изображения). Таким образом, в память ЭВМ записываются изображения, характеризующие недеформированное состояние контролируемой области поверхности. Управляет процессом записи изображения в БЗУ7 и далее в микрокомпьютер ЭВМ 10. Изображение, записываемое в ЭВМ 10, отображается на мониторе 9. Необходимая информация отображается на дисплее 11.
Одновременно с подготовкой двухмерного ЭИ поверхности материала, формируется трехмерное ЭИ объема материала следующим образом. По сигналу от ЭВМ 10 через второй дополнительный интерфейс 2ДИ24, второй дополнительный блок управления 2ДБУ21 и первый дополнительный блок управления 1ДБУ19 включаются источник и приемник акустических сигналов ИАС17 и ПАС18. Источник акустических сигналов ИАС17 выполнен в виде механического генератора (ударника) или электронного (акустического) генератора. При этом происходит смещение (сканирование) ИАС17 и ПАС18 с помощью МБС20 по всей длине и толщине материала.
Звуковые сигналы от ИАС17 проходят через толщину материала и воспринимаются ПАС18. Эти сигналы (от ПАС18) обрабатываются (фильтруются, масштабируются и др.) блоком обработки сигналов БОС22 и записываются в дополнительное запоминающее устройство ДЗУ23, в котором формируется трехмерный массив акустических сигналов, соответствующий трехмерному эталонному изображению недеформированного объема материала. Информация от ДЗУ23 через 2ДИ24 поступает в ЭВМ10. На этом заканчивается подготовка эталонного изображения внутреннего объема материала. Этой же операцией заканчивается общий режим подготовки эталона (эталонного изображения - ЭИ) и начинается режим контроля.
В режиме контроля НИС1, БУП2, светофильтр 4, БУИ5, ТК6, БЗУ7, И8, ДИ12, монитор 9 и дисплей 11, а также 2ДИ24, 2ДБУ21, МБС20, ПАС18, ИАС17, 1ДБУ12, БОС22 и ДЗУ23 функционируют аналогично режиму подготовки эталона. В этом режиме текущее изображение (ТИ) соответствует уже деформированному состоянию участка поверхности, изображение которого считывалось ранее в режиме подготовки эталона, также записывается в БЗУ7. Кроме этого параллельно формируется ТИ внутреннего состояния материала, которое записывается в ДЗУ23. Для устранения углового рассогласования двухмерных (поверхностных) ТИ и ЭИ производится поворот ТИ в плоскости, параллельной плоскости ЭИ. При угловом совмещении ТИ и ЭИ применяется метод меток, заранее нанесенных на ТИ и ЭИ, или применяется интегральный метод устранения углового рассогласования двух изображений (например, путем построения и анализа взаимно-корреляционной функции ТИ и ЭИ). С этой целью по сигналам от ЭВМ10 через И8, ДИ12, первый БУ13 с помощью БДПП15 и второго БУ14 осуществляется поворот НИС1, светофильтра 4, БУИ5 и ТК6 в плоскости, параллельной контролируемой поверхности объекта 3. Считываемое при этом ТИ совмещается по угловой координате с ЭИ. Так продолжается (считывание, поворот и программное совмещение) до тех пор, пока не будет полного устранения углового рассогласования ТИ и ЭИ. Варианты исполнения первого БУ13, БДПП15 и БП16 даны в (5, с.250-254). В случае необходимости перемещается и поворачивается объект 3 относительно светофильтра 4. Это обуславливается невозможностью размещения НИС1, светофильтра 4, БУИ5 и ТК6 внутри какой-либо конструкции (например, стержень, находящийся внутри трубы). Для этого с помощью БП16 производится переключение зацепления от перемещения и поворота НИС1, светофильтра 4, БУИ5 и ТК6 к перемещению и повороту объекта 3.
Один из алгоритмов работы предлагаемого устройства в общем виде описывается следующим выражением [2, 5]:
1
2
где F, F - функции, описывающие ТИ и ЭИ;
J - номера близости ТИ и ЭИ;
- оценка искомых параметров деформации материала (величина смещения и угол поворота структурного элемента (зерна); геометрические характеристики (периметр, площадь, ширина, длина) зерна; величина смещения участка поверхности).
где j - номер строки;
I - номер пиксела в строке;
1
2
m, m- математические ожидания;
1
2
F, F - значения яркости пикселов;
n - размер фрагмента.
Т.е. по анализу функционала (1) можно найти оценку .
Таким образом, предлагаемое устройство по анализу поверхности и внутреннего состояния материала определяет степень его деформации, наличие несплошностей (трещин) и оценивает ресурс работы материала. Для пояснения работы предлагаемого устройства приведена табл.1, в которой показана связь типа материала, его характерного элемента мезосубструктуры, появляющегося при деформации, и информативные признаки, анализ которых даст степень его деформации [3, 4].
Таблица 1.Связь информативных признаков материала с его деформацией
№ п/п
Типа материала
Характерный элемент мезосубструктуры
Информативный признак
1.
Пластичный поликристалл (растяжение)
Зерно, конгломерат зерен
Площадь, ориентация, периметр, коэффициент формы, координаты центра тяжести
2.
Высокопрочный дисперсно-упрочненный сплав (растяжение)
Мезополоса (распространяющаяся через многие зерна)
Длина, ширина, период
3.
Сдвигонеустойчивый поликристалл (растяжение)
а) мартенситные ламелиб) поперечная мартенситная полоса
а) длина, период, ориентацияб) длина, ширина
4.
Мелкозернистый поликристалл (растяжение)
Дисклинация, змейка
Длина, ориентация, ширина
5.
Высокоазотистая сталь (растяжение)
Мезополосовая структура
Площадь, период полос, длина, ориентация
6.
Малоуглеродистая сталь (растяжение)
Полоса Людерса
Ориентация, длина
7.
Сварное соединение
Макрополоса (в зоне
Длина, ориентация,
(растяжение)
термического влияния)
ширина
8.
Усталостное разрушение
Петля деформированных зерен
Площадь, периметр, координаты центра тяжести, коэффициент формы
На фиг.3 приведена зависимость собственных частот колебаний объекта от длины трещины: здесь 1, 2 - накопление остаточной деформации и зарождение поверхностных микротрещин; 3 - хрупко-пластический рост поверхностных трещин; 4 - развитие магистральной (сквозной) трещины. В табл.2 приведены стадии накопления повреждений материала на мезоуровне и размеры усталостных трещин. Таким образом на собственных частотах объекта ~9,25 кГц и ~5,0 кГц, возбуждаемых акустическим способом, можно оценивать величину поверхностных и внутренних трещин.
Таблица 2.
Стадия накопления повреждений на мезоуровне
Длина усталостной трещины
1, 2 - накопление остаточной деформации и зарождение поверхностных микротрещин
≤0,1-0,2 мм
3 - хрупко-пластический рост поверхностных трещин
≤2-3 мм
4 - развитие магистральной (сквозной) трещины
>3 мм
На этом один цикл диагностики (аттестации) материала заканчивается. По сравнению с известным, предлагаемое устройство обладает более высокими функциональными возможностями, быстродействием и точностью работы. Действительно, поскольку одновременно происходит диагностика поверхностного и внутреннего состояния материала, то повышается вероятность правильной аттестации материала, т.е. повышается точность работы предлагаемого устройства, а также расширяются его функциональные возможности. Кроме того, повышается быстродействие предлагаемого устройства за счет применения светофильтра с более широкими функциональными возможностями (т.к. устраняется необходимость периодической механической установки светофильтра между объектом исследования и объективом блока увеличения изображения) при сканировании по всей площади объекта исследования.
Источники информации:
1. PCT/WO 087/07365 A1, 03.12.87.
2. Патент №2126523 (Россия). Способ неразрушающего контроля механического состояния объектов и устройств для его осуществления. Приор. От 28.10.96 Публ. 20.02.99, Бюл. №5.
3. Верещагин В.И. и др. Полифункциональные неорганические материалы на основе природных и искусственных соединений. - Томск: Изд-во Том. Ун-та, 2002. - С.281-322.
4. Сырямкин В.И. и др. Интеллектуальные оптико-телевизионные измерительные системы для технической и медицинской диагностики / Сб. трудов «Ноосферные знания и технологии». Вып.2. Томск: Изд-во Научно-техн. Лит-ры. 2006. С.61-72.
5. Сырямкин В.И., Титов B.C. и др. Системы технического зрения. Справочник. - Томск: МГП «РАСКО». 1992. - 380 с.
6. Сырямкин В.И., Кориков A.M. и др. Корреляционные зрительные системы роботов. - Томск: МГП «РАСКО». 1990. - 224 с.