Способ индикации механических резонансов по фотографиям следов флуоресцирующих маркеров
METHOD OF INDICATING MECHANICAL RESONANCES ON PHOTOGRAPHS OF FLUORESCENT MARKER TRACKS

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при вибрационной диагностике устройств, приборов или иных твердых макрообъектов.
Известен ряд стандартных методов индикации резонансов конструкции под действием вибрации [1]. Во-первых, это методы с использованием пьезоэлектрических датчиков. Недостатком таких методов является массивность и габариты датчиков, жестко закрепляемых на относительно небольших объектах. Массивность создает дополнительные упругие напряжения, искажая резонансную характеристику. Габариты же могут препятствовать размещению датчика в заданном месте объекта. Во-вторых, это бесконтактные методы. Методы с использованием емкостных и электретных датчиков имеют недостатки из-за габаритов, влияния материала поверхности на величину сигнала, а также сложности установки. Метод с использованием лазерного измерителя требует трудоемкой настройки для каждой исследуемой точки объекта и не годится при больших амплитудах перемещений. Метод с использованием СВЧ-генератора имеет ограничение по массе и способу крепления исследуемых объектов. Метод с использованием органолептического анализа не всегда позволяет подобраться вплотную к заданному месту объекта, имеет большую погрешность экспериментатора и ограничение по технике безопасности. Метод с использованием оптических увеличительных средств требует трудоемкой юстировки и разработки системы регистрации наблюдаемых фигур.
Известен способ визуализации вибрации по характеристикам испущенного или отраженного электромагнитного излучения от объекта [2]. Способ предлагается для анализа параметров вибрации крупных удаленных объектов. Недостатком способа является зависимость параметров регистрируемого излучения от материала и формы излучающей или отражающей поверхности, что говорит о его невысокой надежности.
Известен способ измерения параметров вибраций, при котором на объекте закрепляется трафарет с группами параллельных штрихов разной ширины [3]. Производится съемка вибрирующего трафарета на видеокамеру с передачей изображения на ПК для дальнейшего анализа. Величина размытия штрихов на изображениях позволяет оценить амплитуду перемещения в данном месте объекта. Недостатком способа является относительно большие габариты трафарета и то, что таким образом можно проводить диагностику колебаний только в одном заданном направлении. Поперечные резонансы - это достаточно частое явление при вибрационной диагностике.
Известен способ измерения параметров вибрации, заключающийся в регистрации изображений следов вибрационного размытия светоотражающих меток, наносимых на поверхность исследуемого объекта [4]. Дальнейший математический анализ формы следов позволяет оценить искомые параметры вибрации. Недостатком способа является непригодность для анализа объектов с блестящей поверхностью, а также трудоемкость обработки большого количества следов по приведенному алгоритму.
Наиболее близким по существу заявляемого изобретения является фотографический метод анализа трехмерных колебаний, описанный в [5]. В нем осуществляется регистрация следов вибрационного размытия точек поверхности исследуемых объектов, блестящих при внешнем освещении. Размеры и форма следов маркеров анализируются визуально на мониторе ПК по масштабной сетке, наносимой в графическом редакторе на фотографии со следами точек. Недостатками метода являются: непригодность для анализа объектов при отсутствии контрастных участков с резкой границей на поверхности, затруднение анализа объектов без блестящих точек нужного размера, а также объектов сложных и/или малых форм. Это существенно ограничивает область применения данного метода и снижает надежность индикации механических резонансов.
Целью предполагаемого изобретения является разработка эффективного и удобного в практической реализации способа индикации механических резонансов объектов с поверхностями сложной формы и любого цвета, в т.ч. блестящих, для проведения стандартных испытаний по выявлению резонансных частот конструкции в НЧ области.
Цель достигают тем, что на поверхность изделия наносят метки, используемые в качестве маркеров, флуоресцирующих при УФ освещении. Для подсветки используют фонарь или иное осветительное устройство со спектром излучения в области ближнего УФ.
Техническим результатом применения предложенного способа является повышение надежности индикации механических резонансов объектов и расширение области применения способа вибрационной диагностики с использованием оптических средств за счет возможности анализа объектов с поверхностями различных форм и любого цвета, в т.ч. блестящих, со сложной конструкцией, а также миниатюрных и/или труднодоступных мест объекта.
На рис. 1 приведена фотография маркеров с шариками диаметром 53-63 мкм.
На рис. 2 представлены два типичных кадра исследуемого изделия после компьютерной обработки.
Предложенный способ реализуется, например, следующим образом.
1. Изготавливают маркеры из флуоресцентных шариков и скотча. Шарики имеют размер, как минимум в 2 раза меньший минимального размаха колебаний по заданной АЧХ при поиске резонансов. Спектр поглощения материала шариков расположен в области ближнего УФ, спектр излучения - в видимой области. Шарики распределяют равномерно по поверхности стеклянной подложки. Расстояния между ними определяются удобством работы и ограничением на размер будущих маркеров. Затем на подложку с шариками приклеивают полоску прозрачного скотча. Скотч нарезают на квадратики со стороной около 5 мм. Фотография маркеров с шариками диаметром 53-63 мкм представлена на рис. 1. Вместо скотча возможно использовать суспензию микрошариков в прозрачном клее с последующим распределением ее по поверхности испытуемого изделия.
2. Исследуемый объект устанавливают на вибростенд. На столе вибростенда или на оснастке закрепляют управляющий датчик.
3. Готовые маркеры в виде квадратиков с приклеившимися шариками отклеивают с помощью острого инструмента от подложки и наклеивают в заданных областях поиска резонансов. Наклейка производится с учетом прямой видимости для дальнейшей подсветки и съемки.
4. Выбирают масштабные метки в заданных областях в виде частей самого объекта известной длины, либо наносят метки отдельно (можно наклеить с маркерами).
5. Задают программу поиска резонансов в системе управления по стандартному профилю АЧХ: до частоты перехода амплитуда перемещения в мм, после - амплитуда ускорения в g.
6. Обеспечивают УФ-подсветку (например, фонарь на штативе) для освещения области поиска резонансов: по возможности ближе к ней.
7. Устанавливают фотоаппарат так, чтобы область поиска была в поле зрения: как можно ближе к ней. При этом допускается наклон фотоаппарата только в плоскости, проходящей через ось его объектива и вертикаль.
8. Фокусируют фотоаппарат в режиме реального времени с ПК, производят настройку таймера автозапуска съемки. Например, выдержка 2 с, интервал снятия кадров - 5 с.
9. В программе задают скорость линейной развертки по частоте, соответствующую интервалу снятия кадров и дискретизации по частоте. Для интервала 5 с и при частоте дискретизации 1 Гц скорость составляет 0,2 Гц/с.
10. По возможности затемняют рабочую область (зашторивают окна, выключают свет) - для лучшего контраста следов маркеров и упрощения дальнейшего визуального анализа.
11. Осуществляют запуск испытания по заданной на вибрационном контроллере АЧХ синхронно со съемкой кадров через программу управления фотоаппаратом.
12. Сохраняют массив фотографий со следами вибрационного размытия маркеров на ПК.
13. Определяют горизонтальный масштаб М в pix/мм по размеру масштабной метки в области фокусировки.
14. Определяют угол наклона фотоаппарата к горизонтали ϕ (можно использовать транспортир).
15. Если требуется осуществить поиск резонансов в нескольких местах объекта, фотоаппарат с подсветкой переставляются под другим ракурсом с учетом условий из п. 7.
16. Повторяют п. 8-15
17. Полученные массивы фотографий обрабатываются в полуавтоматическом режиме на ПК. Для этого сначала производят подготовку к работе программ Macro Express Pro и Paint.net с вводом необходимых параметров. Запускают скрипт Macro Express Pro. Начинается автоматический процесс обрезки, фильтрации и выделения слабых флуоресцентных следов с использованием коррекции цветов в Paint.net, производится подпись частоты для каждого кадра, рисование сетки, сохранение. Размер ячеек сетки соответствует стандартному началу резонанса, т.е. двукратному превышению размаха колебаний при данной частоте и амплитуде. Длины сторон ячеек, автоматически вычисляемые в процессе обработки, в пикселях обрабатываемых кадров по горизонтали и вертикали, соответственно:
x
L=4А⋅М
y
L=4A⋅М⋅cosϕ
где А - заданная согласно программе амплитуда перемещения. После частоты перехода А вычисляется автоматически по заданной амплитуде виброускорения.
Время обработки кадров задается в коде скрипта и зависит от вычислительной мощности ПК. Получившиеся легко читаемые изображения маркерных следов просматривают визуально. Путем сравнения длины следов маркеров с размерами ячеек выявляют резонансы. Помимо обнаружения резонансов можно выявить разрушения, трещины, болтания, слабые места объекта и осуществить более сложный анализ трехмерных траекторий маркерных точек.
18. Найденные резонансы и/или иные параметры маркерных следов записывают.
Приведенный пример практической реализации предполагаемого изобретения показывает достижение цели изобретения по следующим причинам. Поиск резонансов в диапазоне до 60 Гц (согласно ГОСТ РВ 20.57-305-98) обеспечивается использованием фотоаппарата с достаточно высоким разрешением светочувствительной матрицы и качеством объектива. Оптимальный размер флуоресцентных микрошариков в указанном диапазоне составляет 50-80 мкм и определяется с одной стороны требованием четкости их следов при высоких частотах и малых виброускорениях, с другой стороны - требованием хорошей видимости при визуальном поиске резонансов по кадрам. Такие микрошарики выпускаются серийно и имеются в открытой продаже. Малый размер маркеров позволяет наносить их на миниатюрные элементы конструкции и в труднодоступных местах. Использование микрошариков со специфическим спектром флуоресценции обеспечивает их видимость на фоне подавляющего большинства объектов.
На рис. 2 представлено два типичных кадра после обработки. Для съемки использовался фотоаппарат Canon EOS 1200 D с объективом EFS 18-55 mm. Подсветка производилась с помощью УФ-фонаря, состоящего из УФ-диода, светофильтра из стекла УФС-6, рефлектора и радиатора с кулером для активного охлаждения. Максимальная световая мощность диода составляет 1 Вт, пик интенсивности излучения расположен в диапазоне 370-375 нм. Фотоаппарат и УФ-фонарь располагались на расстоянии 50-70 см от объекта. Разрешение кадров, использованное при съемке, составляет 18 Mpix. Светящиеся следы маркеров оставлены флуоресцентными микрошариками размером 53-63 мкм, производимыми компанией Cospheric LLC. Направление действия вибрации - вертикальное. Слева наблюдается возбуждение вертикального резонанса во всей области на частоте 9 Гц, справа - поперечного резонанса в нижней части образца на частоте 71 Гц. Яркие точки вне маркеров - это флуоресцирующие пылинки, которые иногда присутствуют на объектах.
Предельная частота для способа зависит от размера используемых микрошариков, размера области наблюдения, разрешения светочувствительной матрицы фотоаппарата, а также качества сборки и обработки элементов объектива. Безопасность при работе обеспечивается использованием УФ-подсветки в ближнем к видимому спектральном диапазоне, что исключает вероятность загара. Использование УФ-подсветки большой яркости позволит уйти от требования по затенению рабочей области, однако для персонала могут потребоваться защитные очки.
Использование робота-манипулятора, работающего по ДУ, для перемещения камеры с подсветкой вокруг исследуемого объекта позволит подбираться к еще более труднодоступным местам и уменьшит трудоемкость анализа объектов со многими потенциально резонансными областями.
Технический результат - повышение надежности индикации механических резонансов объектов и расширение области применения способа вибрационной диагностики с использованием оптических средств.
Использованные источники:
[1] ГОСТ 20.57.406-81 приложение 6.
[2] Patent WO/2004/090485, IPC G01H 9/00 (2006.01). METHOD AND APPARATUS FOR REAL-TIME VIBRATION IMAGING / Melese et al. - International Application No.: PCT/US2004/010423; International Filing Date: 02.04.2004; Publication Date: 21.10.2004.
[3] Патент 2395792 РФ, МПК G01H 9/00. Способ измерения параметров вибрации объекта / Пронин С.П., Зрюмов Е.А., Юденков А.В. - №2009125845/28; заявл. 06.07.2009; опубл. 27.07.2010.
[4] Патент 2535522 РФ, МПК G01H 9/00. Способ измерения вибраций / Држевецкий А.Л., Юрков Н.К. и др. - №2013128329/28; заявл. 20.06.2013; опубл. 10.12.2014.
[5] Королев А.И., Фотографический метод анализа трехмерных колебаний в вибродиагностике, Контроль. Диагностика, 2017, 07 с. 26-32