Телевизионная система измерения размеров заготовки волоконных световодов в ходе процесса химического парофазного осаждения

ных нужд. Предложенная методика синтеза регулятора позволяет в зависимости от частотных характеристик передаточной функции линейной части системы определить сектор нелинейной характеристики, при котором обеспечивается устойчивость. Таким образом, в зависимости от требуемого значения температуры, зоны не-

чувствительности нелинейной характеристики, максимального перемещения свободного конца биметаллической пластинки и углового коэффициента нелинейной характеристики могут быть подобраны параметры регулятора прямого действия, при которых гарантировано устойчивое функционирование системы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Душим, С.Е. Теория автоматического управления [Текст]/С.Е. Душин, Н.С. Зотов, Д.Х. Имаев [и др.]; Под ред. В.Б. Яковлева.-М.: Высш. шк., 2003.

2. Рапопорт, Э.Я. Структурное моделирование объектов и систем управления с распределенными параметрами [Текст]/Э.Я. Рапопорт.-М.: Высш. шк., 2003.

3. Колосов, В.И. Новые возможности контактной точечной сварки [Текст]/В.И. Колосов, П.А. Гореликов, Р.А Мусин//Сварочное производ-ство.-2001.-№ 10.-С. 25-28.

4. Козлов, В.Н. Негладкие операторы и распределенные системы. Модели теплопроводности [Текст]/ В.Н. Козлов, К.А. Магомедов.-СПб.: Изд-во СПб ГТУ, 2003.

5. Першим, И.М. Анализ и синтез систем с распределенными параметрами [Текст]/И.М. Першин.-Пятигорск: Изд-во РИА-КМВ, 2007.

6. Чернышев, А.Б. Адаптация частотного критерия абсолютной устойчивости к системам с распределенными параметрами [Текст]/А.Б. Чернышев//Мехатроника, автоматизация, управление. -2009. -№ 7. -С 13-18.

УДК 05.13.06

Ю.А. Константинов, И.И. Крюков, М.М. Поскребышев, Н.А Харламова

ТЕЛЕВИЗИОННАЯ СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ РАЗМЕРОВ ЗАГОТОВКИ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ В ХОДЕ ПРОЦЕССА ХИМИЧЕСКОГО ПАРОФАЗНОГО ОСАЖДЕНИЯ

Один из основных методов изготовления заготовок специальных волоконных световодов - метод химического парофазного осаждения (МСУВ) [1]. При его реализации кварцевая труба (т. н. опорная) устанавливается на специальную установку и разогревается пламенем кислородно-водородной горелки; при этом внутрь трубы подается смесь кислорода с парами хлоридов кремния, германия и других гало-генидов легирующих элементов. Образующиеся в результате реакции оксиды этих элементов осаждаются на внутренние стенки трубы и формируют слой легированного кварца. В результате операции коллапсирования («схлопывания») трубы формируется преформа - цилиндрический кварцевый стержень, центральная легированная часть которого образует после вытяжки сердцевину будущего волоконного световода.

Управление процессом МСУВ включает в себя регулирование температуры трубы в зоне разогрева изменением расхода водорода в горелке. Этот расход изменяется в соответствии с показаниями оптического пирометра, наведенного на зону разогрева трубы.

Уровень легирования осадка меняется по заданной программе регулировкой подачи паров реагентов внутрь трубы.

Многолетний опыт реализации этого процесса в производстве выявил необходимость непрерывного контроля наружного диаметра трубы в ходе процесса осаждения и особенно при коллапсирова-нии. Необходимо отметить, что значительная продолжительность процесса осаждения (несколько часов) приводит к испарению кварца с наружной поверхности трубы и к уменьшению ее диаметра. Коллапсирование трубы в заготовку выполняется,

4

Научно-технические ведомости СПбГПУ 6' 2010 Информатика. Телекоммуникации. Управление

как правило, за несколько проходов, в течение каждого из которых наружный диаметр трубы должен измениться на заданную величину. Необходимость обеспечения жестких допусков на отклонение заготовки от цилиндричности (не более 5 % от номинального диаметра) также требует непрерывного контроля ее геометрии. До сих пор контроль формы заготовки и оценка ее размеров производились визуально оператором с помощью измерительного микроскопа с рабочим расстоянием 173 мм. При сильном тепловом излучении от заготовки такой метод не обеспечивал требуемой точности и стабильности технологического процесса.

Измерение диаметра преформы контактным способом также исключается - любой измерительный инструмент может повредить нагретую вращающуюся заготовку.

К сожалению, далеко не все станки MCVD в базовой комплектации снабжены системой бесконтактного измерения диаметра заготовки, поэтому производители волоконных световодов вынуждены находить собственные технические решения [2, 3].

В связи со сказанным выше был разработан метод бесконтактного измерения геометрических

характеристик цилиндрических преформ при помощи мегапиксельной камеры видеонаблюдения с интерфейсом USB2.0 VEC 545 (ООО «ЭВС», Санкт-Петербург) и собственным программным обеспечением. Для увеличения изображения, получаемого с видеокамеры, был использован объектив Computar TG10Z0513FCS-2 с четырехкратным защитным серым светофильтром. Видеокамера была смонтирована на кронштейне пирометра станка MCVD.

Программное обеспечение, поставляемое вместе с камерой, не предусматривает какой-либо обработки информации; для этого была написана специальная собственная утилита. Разработанный программный продукт имеет дружественный пользовательский интерфейс. Пользователю предоставляется доступ к настройкам видеоизображения непосредственно в программе, без запуска оболочки драйвера, а также выбор исследуемой области, что существенно упрощает и ускоряет расчеты. По желанию пользователя может быть изменена пространственная ориентация исследуемого образца, включена или выключена фильтрация по цветовым компонентам RGB, произведена инверсия изображения.

Рис. 1. Средняя яркость при определении диаметра

В - яркость, % от белого

Пользователь может вручную выделить в главном окне программы исследуемую область, данные из которой немедленно начинают обрабатываться. Программа в нижней части окна строит график яркости от координаты, накапливая данные по оси ординат, если задана вертикальная ориентация, или по оси абсцисс, если заготовка отображается горизонтально. Необходимо отметить, что камера должна быть точно ориентирована относительно оси заготовки.

На графике в нижней части окна программы (рис.1) отображается интенсивность компонент красного, зеленого и синего цветов. При обработке изображения пользователь может использовать каждый из них в отдельности или в любом сочетании.

Для вычисления диаметра были опробованы несколько алгоритмов: корреляционный (по величине первой производной) и пороговый. В итоге самым эффективным оказался пороговый. При его реализации пользователь задает пороговое значение яркости (выраженное в процентах от максимальной яркости) в области исследования.

В начале работы программа предлагает пользователю ввести начальный диаметр заготовки. Далее производится калибровочное измерение, после которого рассчитывается коэффициент пересчета пикселей в миллиметры. В ходе выполнения технологического процесса температура горелки меняется, что может привести к изменению формы графика яркости. При этом потребуется дополнительная калибровка, возможность которой также реализована в программе.

Рис. 2. Блок-схема программы

Кроме измерения диаметра, система может регистрировать стрелу прогиба заготовки при вращении, а в некоторых случаях - и ее овальность.

Работу программы иллюстрирует блок-схема, приведенная на рис. 2.

Скриншоты окон программы показаны на рис. 3, 4.

В качестве тестовых испытаний системы производился контроль кварцевой трубы диаметром 20 мм при ее коллапсировании за три прохода горелки. На рис. 5 показаны три прохода горелки, при которых осуществлялась данная операция. По оси абсцисс отложен номер реализации измерения (программа может выдавать системное время и дату). По оси ординат отложен диаметр в миллиметрах. Заметно изменение диаметра заготовки по ее длине. Точность работы системы была проверена

Рис. 3. Главное окно программы

Научно-технические ведомости СПбГПУ 6' 2010 ^ Информатика. Телекоммуникации. Управление

Рис. 4. Окно настройки изображения

Рис. 5. Зависимость диаметра заготовки от времени при коллапсировании

на «холодной» трубе контактным способом - при помощи штангенциркуля. По результатам контактных измерений диаметра было установлено, что максимальное отклонение значения измеренного от фактического не превышает 0,2 мм (1 %).

Применение телевизионной измерительной системы позволило в значительной степени стабилизировать технологический процесс изготовления заготовок волоконных световодов методом

мст

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Никоноров, Н.В. Материалы и технологии волоконной оптики: специальные оптические волокна: Учеб. пособие, курс лекций [Текст]/Н.В. Ни-коноров, А.И. Сидоров.-СПб.: СПбГУ ИТМО, 2009.-130 с.

2. Казанцев, Г.Д. Измерительное телевидение [Текст]/Г.Д. Казанцев, М.И. Курячий, И.Н. Пустынский.-М.: Высш. шк. 1994.-288 с.

3. Прэтт, У. Цифровая обработка изображений [Текст]/У Прэтт. -М.: Мир, 1982.-480 с.