О построении оптико-электронных систем контроля прогиба

О ПОСТРОЕНИИ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ

КОНТРОЛЯ ПРОГИБА

А.Г. Иванов, В.В. Коротаев, А.В. Краснящих

Объектом исследований являются оптико-электронные системы для непрерывного контроля прогиба сооружений и конструкций водного транспорта по пространственному и временному положению их элементов. В статье представлено несколько схем измерения прогиба: коллимационная, автоколлимационная и схема створных измерений. Проведен сравнительный анализ целесообразности применения той или иной схемы измерения для решения задач контроля прогиба.

При разработке и эксплуатации различных крупногабаритных объектов, например, летательных аппаратов, мостов, подъемных кранов и других крупных промышленных сооружений, возникает проблема контроля их деформаций. Результатом аварии на этих объектах при их возможном выходе из строя могут быть человеческие жертвы, экологические бедствия, что может привести к большим затратам на их устранение - как материальным, так и временным.

К экологически опасным крупногабаритным объектам относятся сооружения химической, атомной и других отраслей промышленности, гидротехнические сооружения, супертанкеры и атомоходы, нефте- и газопроводы, нефте- и топливохранилища и другие технические объекты. В условиях, когда используемая техника имеет значительную степень износа, резко возрастает вероятность аварий на указанных объектах вследствие возникновения деформаций, превышающих предельно допустимые.

Деформация перечисленных выше объектов носит, как правило, характер прогиба. Чаще всего необходимо контролировать прогиб протяженных конструкций длиной до нескольких десятков или сотен метров. При этом диапазон измеряемых линейных деформаций составляет несколько десятков сантиметров, а погрешность измерений не должна превышать долей миллиметра [1]. Во многих случаях контроль параметров объекта необходимо осуществлять в достаточно жестких условиях эксплуатации, которые заключаются в значительных и резких перепадах температуры окружающей среды, воздействии осадков, повышенной влажности, различного рода электромагнитных помех промышленного происхождения, а также оптических помех (солнечное излучение, искусственное освещение, вспышки электросварки и т.п.).

Разработанные и воплощенные на данный момент методы измерения прогиба крупногабаритных конструкций с помощью визуальных оптических средств, различных электромагнитных и гидродатчиков имеют невысокую точность, низкую надежность, требуют значительных трудозатрат на их установку и эксплуатацию и обладают рядом других недостатков [1].

На основании изложенного очевидна необходимость разработки оптико-электронного комплекса, высоконадежного в жестких эксплуатационных условиях и позволяющего полностью автоматизировать процесс контроля.

При контроле прогиба крупногабаритных конструкций и сооружений можно использовать приборы, методы и способы контроля прямолинейности, используемые в геодезии и строительстве. Такие приборы по схемам измерения можно разделить на три группы: коллимационные, автоколлимационные и створные (рис. 1).

В коллимационной схеме, представленной на рис. 1, а, измерительная база создается с помощью блока 1, расположенного в точке А, который определяет положение этой базы в пространстве. Приемный блок 2, размещаемый на контролируемом объекте, располагается в точке В и определяет свое положение относительно заданной базы.

2Ч

а)

А В

р

б)

Рис. 1. Схемы измерения прогиба

В автоколлимационной схеме (рис. 1, б) измерительная база, как и в случае коллимационной схемы, создается блоком 1, расположенным в точке А и содержащим также и приемное устройство. На контролируемом объекте в точке В размещается отражатель 2, который возвращает излучение на приемное устройство блока 1. Приемное устройство регистрирует величину смещения отражателя 2 относительно измерительной базы.

В схеме створных измерений (рис. 1, в) измерительная база проходит через блоки 1, 2, расположенные в точках А и В, в то время как блок 3, расположенный между ними в точке С, определяет свое положение относительно заданной базы.

Наиболее перспективным для решения задач контроля прогиба является методы автоколлимации сходящихся пучков и метод створных измерений.

К достоинствам метода автоколлимации сходящихся пучков относятся постоянство масштаба изображения при изменении расстояния до отражателя и удвоение видимого смещения в сравнении с действительным, что обеспечивает автоколлимационному методу сходящихся пучков высокую точность и чувствительность измерения линейных смещений. Схема створных измерений обладает лучшими точностными свойствами, чем коллимационная или автоколлимационная, поскольку она не чувствительна к угловым смещениям.

При автоколлимации сходящихся пучков лучей в зависимости от типа отражателя можно измерять смещения по одной или нескольким координатам.

С учетом вышесказанного предложена структурная схема оптико-электронного прибора для измерения прогиба, приведенная на рис. 2.

Оптико-электронный прибор для измерения прогиба содержит отражатель 5, задатчик базового направления (выделен пунктиром), закрепленный на жесткой базе, устройство сопряжения 7 и компьютер 1.

Задатчик базового направления представляет собой автоколлимационную трубу, содержащую светоделитель 3 и объектив 4, в фокальной плоскости которого расположены излучатель 2 и чувствительная площадка матрицы ФПЗС телевизионной камеры 6.

В оптико-электронном приборе для измерения прогиба поток от излучателя 2 через светоделитель 3 и объектив 4 поступает на отражатель 5, который устанавливается в контрольной точке объекта. Объектив 4 автоколлимационной трубы

строит изображение излучателя на фоточувствительной поверхности телевизионной камеры 6. Устройство сопряжения 7 осуществляет захват кадра, сформированного телевизионной камерой 6, и передачу всего массива изображения в компьютер 1.

Рис. 2. Схема автоколлимационного прибора для измерения прогиба

В компьютере 1 по специальному алгоритму производится вычисление координат изображения излучателя на площадке матрицы ФПЗС телевизионной камеры 6, а затем рассчитывается величина смещений отражателя 5.

Использование в автоколлимационном приборе матричных фотоприемников с зарядовой связью (ФПЗС) в сочетании с цифровой обработкой измерительной информации [3] позволяет существенно повысить надежность и точность измерений. При этом появляется возможность реализации адаптивной системы (системы, перестраивающейся в процессе работы с учетом влияния внешних факторов). Применение ФПЗС представляется также предпочтительным с позиций соотношения диапазона и линейности измерения, поскольку они обладают наиболее универсальными возможностями ввиду жесткости растра дискретной матричной структуры.

Разработанный на кафедре ОЭПиС СПб ГИТМО (ТУ) оптико-электронный прогибомер с измерительной базой в виде коллимированного пучка лучей с оптической равносигнальной зоной (ОРСЗ) позволяет контролировать прогиб протяженных конструкций (до 250 м) с диапазоном измерений ±195 мм и основной погрешностью не более 5 мм [1]. Однако в некоторых случаях такая погрешность измерений не может удовлетворять требованиям безопасной эксплуатации конструкций и сооружений. Кроме того, прогибомер содержит дорогостоящие оптические и механические элементы.

Применение позиционно-чувствительных датчиков на основе ФПЗС [1, 2] позволяет использовать унифицированные оптические и электронные блоки, исключить механические элементы, увеличить надежность и снизить стоимость прогибомера. При этом достигается высокая точность в достаточно широком диапазоне измерений.

Рассмотрим схему оптико-электронного прогибомера на основе ФПЗС [2] (рис. 3). В системе реализован метод створных измерений, сущность которого заключается в определении величины прогиба конструкции в средней точке относительно прямой, проходящей через крайние точки.

ПН->НН<-[

5'

7

3

I

7'

2

2

I

ш

ш

Рис. 3. Структурная схема оптико-электронного прогибомера

Оптико-электронный прогибомер состоит из задатчика базового направления (телевизионная камера 1, объектив 3 и призменный блок 4, создающий два оптических канала), излучателей 5 и 5', устройств управления излучателями 7 и 7', устройства сопряжения 2, датчика температуры 8 и компьютера 6.

Визирные цели в виде излучателей 5 и 5' устанавливаются в контролируемых точках, а задатчик базового направления - между ними. Компьютер 6 управляет режимом работы излучателей 5 и 5' через устройства управления излучателями 7 и 7'. Режим работы определяется способом различения изображений от различных излучателей, способ различения может быть временным (излучатели 5 и 5' включаются поочередно) или пространственным (излучатели 5 и 5' работают одновременно, но их изображения проектируются на различные участки ПЗС телевизионной камеры 1). Призменный блок 4 совмещает излучение от излучателей 5 и 5' и направляет его в объектив 3, который строит изображения излучателей на фоточувствительной поверхности телевизионной камеры 1. Устройство сопряжения 2 осуществляет захват кадра, сформированного телевизионной камерой 1, и передачу всего массива изображения в компьютер 6, в котором по специальному алгоритму производится вычисление величины смещений изображений визирных целей 5 и 5' на площадке матрицы ПЗС телевизионной камеры 1. Затем рассчитывается величина суммарного прогиба (механического и температурного).

По сигналам о температуре, поступающим от датчика температуры 8, компьютер вычисляет температурную составляющую прогиба. Затем путем ее вычитания из суммарной величины прогиба определяется механическая составляющая. Температурные деформации не угрожают прочности конструкции и не должны приниматься во внимание при измерении прогиба [1]. Компьютер 6 служит также для задания режимов работы прогибомера, ввода пороговых значений прогиба, при превышении которых включается аварийная сигнализация и автоматика выравнивания.

Для вычисления координат изображений визирных целей на площадке матрицы ПЗС телевизионной камеры можно применять различные математические методы. Погрешность определения положения при этом зависит от ширины оптического пучка, шумовых характеристик ПЗС и электронного тракта и составляет примерно 0,1 размера элемента матрицы ПЗС. Одним из наиболее простых математических методов является алгоритм определения энергетического центра тяжести изображения.

Таким образом, оптико-электронный прогибомер на основе ФПЗС, построенный по предложенной схеме, позволяет достичь более высокой точности измерений и надежности по сравнению с прогибомером на основе ОРСЗ.

1

Литература

1. Коротаев В.В., Мусяков В.Л., Панков Э.Д., Тимофеев А.Н. Разработка и создание специализированного оптического комплекса дистанционного зондирования // Изв. вузов. Приборостроение. 1996. Т. 39. № 2. С. 40-43.

2. Пат. 2095755 Россия. Оптический прогибомер / Коротаев В.В., Мусяков В.Л., Панков Э.Д., Тимофеев А.Н. Заявл. 06.06.95. Опубл. 10.11.97. Бюл. № 31.

3. Андреев А.Л., Панков Э.Д., Нужин А.В. Автоколлимационный трехкоординатный угломер на основе приборов с зарядовой связью (ФПЗС): Межвузовский сборник научных трудов. Свердловск: УПИ, 1988. С. 74-81.