Способ тестирования разрешения тепловизоров по контрасту

УДК 004.312

СПОСОБ ТЕСТИРОВАНИЯ РАЗРЕШЕНИЯ ТЕПЛОВИЗОРОВ

ПО КОНТРАСТУ

Е.В. Филиппова, Т. А. Акименко, О. А. Лучанский

Рассматриваются вопросы контроля режимов работы тепловизионных систем наблюдения, существующие устройства тестирования и оценки параметров и характеристик тепловизоров, предлагается усовершенствованное техническое решение измерения параметров тепловизионных приборов.

Ключевые слова: тепловизор, тест-объект, тепловое излучение, излучатель.

Специальным средством контроля тепловизионных систем наблюдения является тепловой тест-объект.

Тепловые тест-объекты, имеющие довольно простую конструкцию, позволяют эмитировать излучение реальных объектов, а также определять желаемые параметры и характеристики приборов, чувствительных к инфракрасному излучению. В своей основе имеют источник ИК-излучения и, возможно, элемент, направляющий излучение в заданном направлении.

Задачей технического решения является расширение технических возможностей путем осуществления тестирования разрешения тепловизоров по контрасту, упрощение конструкции системы. Сущность способа тестирования разрешения тепловизоров по контрасту поясняется на рис. 1.

Рис. 1. Устройство тестирования разрешения тепловизоров

по контрасту

Устройство работает следующим образом. От источника питания 1 к блоку управления 2 подается питание. Блок управления 2 через усилители мощности 3 и 4 подает команду нагрева или охлаждения параллельно расположенным элементам Пельтье 5 и 6. Цифровые датчики температуры 8 и 9, имеющие тепловой контакт с элементами Пельтье 5 и 6, отслеживают значения температур каждого из элементов Пельтье 5 и 6. Значения температур подают на вход блока управления 2, где сравнивают с заранее заданными значениями. При помощи связи блока управления 2 с элементами Пельтье 5 и 6 через цифровые датчики температуры 8 и 9 создают необходимый нагрев и охлаждение элементов Пельтье 5 и 6. Температуру каждого из элементов Пельтье 5 и 6 поддерживают в соответствии со зна-

400

Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и

чениями, установленными блоком управления 2. Теплоизоляцию элементов Пельтье 5 и 6 осуществляют за счет расположения между элементами Пельтье 5 и 6 термоизолятора 7.

Протекание теплового процесса в любой точке излучающих элементов Пельтье 5 и 6 в любой момент времени характеризует дифференциальное уравнение теплопроводности Фурье. Для изотропного тела с источником тепла, распределено в теле произвольно и теплофизическими параметрами, зависящими от температуры, в декартовой системе координат оно имеет вид:

—(л* 1

^1

д ( . дt 1 _

+—I I— I + Ж = су— дх V дх) дт

дх V дх) ду V ду

где t=t(x,y,z, т) - температура в точке (х,у,х) в момент времени т ; I = ) - коэффициент теплопроводности тела; с = с(^ - удельная теплоемкость тела, Дж/(кг оС); у - плотность тела, кг/м3; Ж - удельная объемная мощность источников энергии.

На температуру перегрева влияют два фактора, поддающиеся корректировке в процессе функционирования теплового тест-объекта. Это напряжение электрического тока и и коэффициент теплоотдачи а. Напряжение является легко варьируемым параметром и может быть задано в зависимости от требуемой температуры поверхности. Коэффициент теплоотдачи является функцией многих переменных, и, следовательно, необходимо проведение исследования с целью изыскания закономерностей, позволяющих варьировать и этот параметр.

Важным является последействие излучающих элементов Пельтье 5 и 6, которое находится во взаимосвязи с коэффициентом теплоотдачи, поэтому существенны вопросы управления коэффициентом теплоотдачи, для решения которых необходимо проведение исследования процесса охлаждения при вынужденной конвекции, как наиболее распространенного способа увеличения коэффициента теплоотдачи.

Оптимальным легко варьируемым параметром, является стационарная температура перегрева ист = tраб. Таким образом, увеличение скорости повышения температуры излучающих элементов Пельтье 5 и 6 легко добиться путем повышения мощности, поступающей в излучающий элемент.

Значение скорости воздушного потока позволяет определить коэффициент конвективной теплоотдачи в условиях вынужденной конвекции. Из формулы Ошибка! Источник ссылки не найден., следует, что влияние принудительного охлаждения выражается как в изменении характерного размера (с диаметра на длину), так и в изменении критерия Нуссель-та, который принимает форму:

^0.25

Ыы = 0.66Яе°'5 Рг°43

Рг,

Рг

V1 ™ )

Однако в статическом режиме происходит нарушение теплового баланса излучающих элементов 5 и 6, т.е. их температура начинает значительно превышать требуемую. Возникает необходимость обеспечить как высокую скорость повышения температуры излучающих элементов, так и их корректную работу в стационарном режиме.

Решением является использование средств контроля термического состояния тепловых излучателей 5 и 6 - датчиков температуры 8 и 9, управляющих интенсивностью непрерывного потока поступающей энергии в виде блока управления 2, а также использование импульсной подачи энергии с применением широтно-импульсной модуляции управляющих воздействий.

Для формирования сигнала управления в автоматических системах, где необходимо достичь высоких требований к качеству и точности переходных процессов используют ПИД (P-proportional, I-integral, D-derivative) - регулятор.

ПИД-регулятор (рис.2.) - устройство, применяемое в контурах управления, оснащенных звеном обратной связи.

Рис. 2. ПИД-регулятор

Выражением (3) показана простейшая система автоматического ре гулирования с обратной связью.

и

Т

i 0

dt

где г - время; К - пропорциональный коэффициент (безразмерный), Т - постоянная интегрирования (размерность времени), Та - постоянная дифференцирования (размерность времени).

Следует подчеркнуть, что входом объекта управления является выход регулятора, т.е. величина и имеет ту же размерность, что и рассогласование е, выходная величина у и установка г. Если объект управляется ШИМ-регулятором, управляющей величиной является и, а в модель объекта управления Р следует ввести преобразователь величины и в ширину импульса ШИМ-регулятора. Таким воздействием во всех случаях должна быть величина и (выходная величина регулятора).

Используя преобразование Лапласа при нулевых начальных условиях и(0)=0, выражение (3) можно представить в операторной форме:

( 1 \

u (s) =

K + + Tds e

v Tis )

Таким образом, передаточная функция ПИД-регулятора имеет вид

R(s) = K + — + Tds = K

Ts

1 +

1 Td

-+ —s

KT s K

Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и ...

Предложенный способ позволяет расширить технические возможности путем тестирования разрешения тепловизоров по контрасту, имея при этом простую конструкцию тест-объекта.

Список литературы

1. Патент на полезную модель №176316 Тест-объект для измерения разрешения тепловизоров. Ларкин Е.В., Акименко Т.А., Филиппова Е.В. ТулГУ. 2018.

2. ГОСТ Р 8.619-2006. М., 2006.

3. Патент на полезную модель № RU191285U1 Устройство тестирования разрешения тепловизоров по контрасту. Акименко Т.А., Ларкин Е.В., Лучанский О.А., Филиппова Е.В. ТулГУ. 2019.

4. Акименко Т. А., Филиппова Е.В. Тест-объект для контроля параметров тепловизоров // Известия тульского государственного университета. Технические науки, 2018. Вып. 12. С. 308-311.

5. Филиппова Е.В. Тепловой тест-объект для оценки тепловизион-ных систем // Известия тульского государственного университета. Технические науки, 2017. Вып. 9. Ч. 1. С. 199-203.

6. Филиппова Е.В., Акименко Т.А. Приемники излучения теплови-зионных приборов // Известия тульского государственного университета. Технические науки, 2017. Вып. 2. С. 203-207.

7. Акименко Т. А., Филиппова Е.В. Формирование изображения на приемнике теплового излучения // Известия тульского государственного университета. Технические науки, 2017. Вып. 9. С. 13-21.

8. Akimenko T., Filippova E. Computer Modeling of Control the Thermal Imaging System Surveillance. In: Dimov I., Farago I., Vulkov L. (eds) Finite Difference Methods. Theory and Applications. FDM 2018. Lecture Notes in Computer Science, vol 11386. Springer, Cham. P. 129-136. DOI: 10.1007/978-3-030-11539-5_12. 2019.

Филиппова Екатерина Вячеславовна, лаборант, kisskiri a hk.ru Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Акименко Татьяна Алексеевна, канд. техн. наук, доцент, tcintan72amail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Лучанский Олег Алексеевич, канд. техн. наук, tcintan72amail.ru, Россия, Москва, Министерство обороны Российской Федерации

METHOD FOR TESTING PERMISSION RESOLUTION ON CONTRAST E. V. Philippova, T.A. Akimenko, О.А. Lucharsky

The article is devoted to the monitoring the operating modes of thermal imaging surveillance systems, existing devices for testing and evaluating parameters and characteristics of thermal imagers are considered, an improved technical solution for measuring the parameters of thermal imaging devices is proposed.

Key words: thermal imager, test object, thermal radiation, thermal emitter.

Filippova Ekaterina Vyacheslavovna, laboratory assistant, kisskin@ bk.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Akimenko Tatiana Alekseevna, candidate of technical sciences, docent, tantan 72@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Luchansky Oleg Alekseevich, candidate of technical sciences, tantan 72 a ma.il. ru, Russia, Moscow, Ministry of Defense of the Russian Federation

УДК 004.93*11

ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМА ПОСТРОЕНИЯ СВАРОЧНОГО ШВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ

А.С. Сафонов, М.Б. Цудиков, Д.В. Чеховский

Рассмотрено построение сварочного шва промышленным роботом с СТЗ.

Ключевые слова: СТЗ, сварка, сварочный робот, траектория движения.

В процессе работы СТЗ, установленной на последнем звене промышленного робота, получены два кадра изображения свариваемых пластин (спереди и сверху). В процессе работы система технического зрения решает следующие задачи: 1) обработка полученных изображений сцены; 2) определение границ свариваемых заготовок, 3) нахождение траектории будущего сварочного шва и его точек каркаса.

Соотношения точек на изображении с реальными координатами в пространстве рабочей сцены выполняется системой управления роботизированным промышленным модулем, подсистемами которой являются как СТЗ, так и система управления роботом [2, 3].

1. Предварительная обработка изображений

Анализ обработки изображений, полученных СТЗ позволил выбрать в качестве фильтра для предварительной обработки изображений рабочей сцены медианный фильтр [1].

Для выбранных условий получения изображений можно для работы фильтра выбрать матрицу размера 3х3 так как освещение однородное, рабочая сцена однотонная. В таком случае реализовать медианный фильтр можно за один цикл [4].

Так как изображения, получаемые с камеры, установленной на промышленном роботе [2], в общем виде могут быть цветными, то медианный фильтр надо реализовывать для каждой из трех цветовых компонент (красной, зеленой и синей). Для сокращения времени работы вычислительных средств предварительно переведем изображение в полутоновое.

404