устройство для определения напряжения и деформации элементов конструкций

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ, содержащее лазер, оптически связанный с объектом, телекамеру, монитор, интерфейс, вычислительный блок, отдельный информационный выход которого соединен с входом дисплея, отличающееся тем, что в него введены микроскоп, блок предварительной обработки, буферное запоминающее устройство, видеопроцессор, блок смещения, блок управления масштабом и блок управления лазером, причем вход микроскопа оптически связывается с объектом, а выход оптически связан с входом телекамеры, блок смещения механически соединен с лазером, микроскопом и телекамерой, а двумя информационными входами с двумя соответствующими информационными выходами вычислительного блока, выход блока управления лазером соединен с входом лазера, а вход с первым выходом интерфейса, вход которого соединен с вычислительным блоком, а второй выход с управляющим входом блока управления масштабом, выход которого соединен с входом монитора и информационным входом блока предварительной обработки, а информационный вход с информационным выходом телекамеры, тактовый выход которой подключен к тактовым входам блока предварительной обработки, буферного запоминающего устройства и видеопроцессора, первый синхровыход к первому синхровходу блока предварительной обработки и синхровходу буферного запоминающего устройства, а второй синхровыход к второму синхровходу блока предварительной обработки и синхровходу видеопроцессора, управляющий, адресный и информационный входы которого соединены соответственно с управляющим, адресным и информационным выходами буферного запоминающего устройства, а один информационный вход-выход с информационным входом вычислительного блока, другой информационный вход-выход соединен с информационным входом-выходом буферного запоминающего устройства, управляющий и два адресных входа которого соединены с управляющим и двумя адресными выходами блока предварительной обработки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к автоматике, в частности к устройству для неразрушающего контроля (напряжения и деформации) элементов конструкций (насосов, сосудов и т.п.), и позволяет с высоким быстродействием оценивать параметры напряжения и деформации.

Известно устройство для регистрации деформаций, возникающих при приложении деформирующих усилий, содержащее источник света, освещающий объект когерентным светом, фокусирующий и сдвигающий оптический элемент, который принимает отражающий от объекта когерентный свет, генерирует интерферирующие сфокусированные изображения объекта, сдвигающиеся одно относительно другого в поперечном направлении, приспособление для записи интерферограммы, возникающей в результате интерференции сфокусированных изображений [1] Принцип действия устройства основан на анализе спекл-интерференционных изображений, снятых до и после воздействия усилий.

Недостаток этого устройства состоит в невозможности быстрой (оперативной) оценки деформаций из-за необходимости предварительного запоминания (фиксации) изображений на фотопленке.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство для определения напряжений и деформаций трубопроводов, сосудов высокого давления и элементов конструкций, содержащее источник, направляющий луч света на поверхность контролируемого объекта, оптический приемник (телевизионную камеру), который воспринимает эталонную точечную картину, формирующуюся при отражении света, интерфейс с подключенным монитором, микроЭВМ (с дисплеем), осуществляющей сравнение запомненной и текущей картин [2]

Недостаток известного устройства заключается в низком быстродействии из-за необходимости перерабатывать всю поступающую информацию на микроЭВМ.

Цель изобретения состоит в повышении точности и быстродействия определения величины деформации и напряжений элементов конструкций.

Цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее лазер, оптически связанный с объектом, телекамеру, монитор, интерфейс, вычислительный блок, отдельный информационный выход которого соединен с входом дисплея, дополнительно введены микроскоп, передающий оптическое изображение от объекта на вход телекамеры, блок смещения, механически соединенный с лазером, микроскопом и телекамерой, а двумя информационными выходами с двумя отдельными информационными выходами вычислительного блока, блока управления лазером, выход которого соединен с входом лазера, а вход с первым выходом интерфейса, вход которого соединен с микроЭВМ, а второй выход с управляющим входом блока управления масштабом, выход которого соединен с входом монитора и информационным входом блока предварительной обработки, а информационный вход с информационным выходом телекамеры, тактовый выход которой подключен к тактовым входам блока предварительной обработки, буферного запоминающего устройства и видеопроцессора, первый синхровыход к первому синхровходу блока предварительной обработки и синхровходу буферного запоминающего устройства, а второй синхровыход к второму синхровходу блока предварительной обработки и синхровходу видеопроцессора, управляющий, адресный и информационный входы которого соединены соответственно с управляющим, адресным и информационным выходами буферного запоминающего устройства, а информационный вход-выход с информационным входом-выходом микроЭВМ, другой информационный вход-выход которой соединен с информационным выходом буферного запоминающего устройства, управляющий и два адресных входа которого соединены с управляющим и двумя адресными входами блока предварительной обработки.

Введение микроскопа, буферного запоминающего устройства, блока предварительной обработки, видеопроцессора, блока управления масштабом, блока смещения и блока управления лазером позволяет выявить ненадежный ("подозрительный") участок элемента конструкции и с высоким быстродействием определить необходимые характеристики.

На фиг. 1 дана структурная схема устройства; на фиг. 2 представлен вариант блока смещения; на фиг. 3 вариант исполнения блока управления лазером; на фиг. 4 вариант исполнения блока управления масштабом; на фиг. 5 вариант исполнения блока предварительной обработки и буферного запоминающего устройства; на фиг. 6 вариант исполнения видеопроцессора.

Устройство состоит из лазера 1, луч которого направляется на объект 2, микроскопа 3, оптически связанного с объектом 2 и телекамерой 4, блок 5 предварительной обработки, буферное запоминающее устройство 6, видеопроцессор 7, вычислительный блок 8, дисплей 9, блок 10 смещения, блок 11 управления масштабом, блок 12 управления лазером, монитор 13 и интерфейс 14, вход лазера 1 соединен с выходом блока управления лазером (БУЛ) 12, а выход оптически связан с объектом 2, микроскоп 3 оптически связан с объектом и телекамерой 4, информационный выход которой подключен к информационному входу блока управления масштабом (БУМ) 11, два отдельных информационных выхода вычислительного блока 8 соединены с двумя соответствующими информационными входами блока смещения (БС) 10, механически связанного с микроскопом 3, лазером 1 и телекамерой 4, вход БУЛ 12 соединен с первым выходом интерфейса 14, второй выход которого соединен с управляющим входом БУМ 11, выход 11 соединен с монитором 13 и информационным входом блока предварительной обработки (БПО) 5, который своими управляющим и двумя адресными выходами соединен с управляющим и двумя адресными входами буферного запоминающего устройства (БЗУ) 6, тактовый выход телекамеры 4 соединен с тактовыми входами БПО 5, БЗУ 6 и видеопроцессора 7, информационный вход-выход которого соединен c информационным входом-выходом микроЭВМ 8, первый синхровыход телекамеры 4 соединен с первым синхровходом БОП 5 и синхровходом БЗУ 6, информационный вход-выход которого соединен с отдельным информационным входом-выходом вычислительного блока 8, второй синхровыход телекамеры 4 соединен с вторым синхровходом БОП 5 и синхровходом видеопроцессора 7, управляющий, адресный и информационный входы которого подключены к управляющему, адресному и информационному выходам БЗУ 6, вход дисплея 9 соединен с отдельным информационным выходом вычислительного блока 8, отдельный выход которого соединен с входом интерфейса 14.

Устройство работает следующим образом. По сигналу от вычислительного блока 8 через интерфейс 14 и БУЛ 12 включается лазер 1, освещающий исследуемый объект 2. Лазер 1 содержит также линзу, формирующую расходящийся лазерный пучок света. При освещении поверхности объекта 2, являющейся оптически грубой поверхностью (т. е. изменения высоты ее рельефа имеют порядок длины волны падающего света), наблюдается спекл-эффект, представляющий собой изображение в виде зернистой структуры. Комплексная амплитуда Р (()), рассеянного поверхностью света в точке , является суммой амплитуд всех волн, рассеянных всеми точками поверхности, и может быть записана в виде

U() k u(x,y)exp[i2G(x,y)/]dxdy (1) где k постоянная величина; U(x, y) функция, описывающая комплексную амплитуду света, проходящего в точку (y, x);

G геометрический множитель, определяемый направлениями, под которыми производится освещение и наблюдение;

(x, y) функция, описывающая высоту рельефа поверхности объекта 2 в точке (x, y); - длина волны.

Изображение, соответствующее недеформированному состоянию объекта 2, увеличивается микроскопом 3, считывается (воспринимается) телевизионной камерой 4 и запоминается БЗУ 6. При считывании изображения оно может подвергаться изменению масштаба с помощью блока 11 управления масштабом. Это изображение подвергается обработке и изменению масштаба (с помощью БУМ 11) аналогично эталонному изображению, а затем сравнивается с помощью видеопроцессора 7, который вычисляет необходимые параметры на основе вычисления оценки

argextrI(F₁, F₂()) (2) где F₁ ТИ; F₂ ЭИ. Причем ЭИ через параметр содержит все возможные изменения изображения по масштабу, линейным смещениям и относительному развороту сравниваемых изображений.

Если ТИ и ЭИ совмещены по масштабу (эта операция выполняется автоматически или с помощью оператора при выборе наилучшего, с точки зрения точности работы, масштаба), то видеопроцессор 7 определяет искомые параметры на основе анализа взаимно корреляционной функции, описываемой следующим выражением:

I(,,) [ F₁(x₁,y₁)F₂(x₂,y₂)dS]²

x₁ (x ) cos + (y ) sin ;

y₁ (y ) cos - (x ) sin (3) где , и линейные и угловые рассогласования ТИ относительно ЭИ; F₁(x₁, y₁) функция, описывающая ТИ; F₂(x₂, y₂) функция, описывающая ЭИ; S площадь коррелируемых изображений.

Если ТИ смещено относительно ЭИ на значительные величины по линейным координатам, то для идентификации (распознавания) участков исследуемой поверхности реализуется следующее решающее правило:

(4)



где d d соответственно сигналы, пропорциональные крутизне переднего и заднего фронтов сечения ВКФ по оси О в точках, соответствующих отклонению от наибольшего значения ВКФ на величину ₁ d^- d⁺; соответственно, сигналы, пропорциональные крутизне переднего и заднего фронтов сечения ВКФ по оси О в точках, соответствующих отклонению от наибольшего значения ВКФ на величину ₁".

Сигналы d d d d ^- устанавливаются заранее при предварительном эксперименте.

Таким образом, на основе анализа ВКФ можно определить направление и величины смещения X, Y по соответствующим осям системы координат XOY, связанной с исследуемой поверхностью объекта 2. Кроме того, определяется возможный разворот ТИ (т.е. участка поверхности объекта 2) относительно ЭИ (т. е. эталонного положения).

Операция возведения в квадрат ВКФ (2) обеспечивает усиление амплитуды главного максимума ВКФ и ослабление ее побочных максимумов. Это значительно повышает точность оценки необходимых параметров, так как на величину амплитуды побочных максимумов оказывают влияние несовпадающие части сравниваемых изображений. Несовпадающие части ТИ и ЭИ возникают вследствие смещения ТИ относительно ЭИ (из-за деформации поверхности объекта 2 одна часть изображения исчезает, а другая появляется).

Применение правила (4) повышает вероятность правильной работы (правильного распознавания), так как решение выносится после анализа обоих фронтов ВКФ, крутизна которых зависит от уровня помех на сравниваемых изображениях ТИ и ЭИ.

Компоненты напряжения определяются из компонентов деформации по соотношениям напряжения и деформации из формулы

Q_,= -+T, (5) где Е модуль упругости; коэффициент Пуассона; коэффициент теплового расширения; Т изменения температуры объекта; _ij тензор дисторсии; Q матрица деформации; i, j напряжение.

Исследуемый участок поверхности объекта выводится на монитор 13. После завершения анализа этого участка поверхности объекта 2 производится смещение лазера 1, микроскопа 3 и камеры 4 с помощью блока 10 смещения. В качестве блока 10 смещения (фиг. 2) используется серийный двухкоординатный стол 15 (типа СКР 901-01) и два интерфейса 16, 17. Управляет работой устройства микроЭВМ 8. Нужная информация выводится на дисплей 9. Основным устройством механизма сканирования является двухкоординатный электропривод, состоящий из двух линейных шаговых двигателей. В состав стола входят также блок управления и блок ручного управления.

Каждый двигатель представляет собой электромагнитный модуль, включающий подвижный элемент (индуктор) на магнитно-воздушном подвесе и неподвижную часть (статор), имеющую нарезку зубцов с шагом 0,64 мм. Блок управления обеспечивает формирование сигналов на перемещение двигателей индуктора с применением электрической редукции и электромагнитного демпфирования колебаний индуктора.

Для перемещения индуктора в блоке управления от ЭВМ направляется сигнал, характеризующий режим и параметры перемещения (скорость, ускорение, число шагов, направление перемещения). Движение индуктора может осуществляться также от блока ручного управления с заданием всех режимов и параметров перемещения.

Для управления механизмом смещения используются серийные устройства параллельного обмена И2, 16, 16, предназначенные для подсоединения к каналу микроЭВМ внешних устройств, обменивающихся с ЭВМ данными в параллельном коде.

Обмен информацией осуществляется 16 разрядными словами или байтами с помощью программных операций средств прерывания программы. Для управления механизмом смещения используются два устройства И2, т.е. смещение происходит по двум координатам. Устройство И 2 представляется центральному процессору как три адресуемых регистра: выходной регистр управление координатой; входной регистр данные датчика координаты; регистр состояния режим перемещения по координате. Адреса регистров устанавливаются пользователем с помощью переключателей.

Устройство И 2 содержит логику прерывания, совместимую с каналом микроЭВМ, что позволяет устройству пользователя вырабатывать сигнал требования прерывания.

Все выходные сигнальные линии загружены на одну стандартную ТТЛ-нагрузку и защищены ограничивающими диодами.

На фиг. 3 представлен вариант исполнения блока управления лазером (БУЛ) 12. Этот блок выполнен для случая управления лазером, не имеющим системы управления от микроЭВМ (например, от микроЭВМ "Электроника-60"). БУЛ 12 включает в себя коммутатор, включающий лазер 1 по сигналам управления, приходящим с интерфейса 14. Коммутатор содержит следующие элементы: 18, 22 резисторы, 19 реле, 20 транзистор, 21 диод, 23 конденсатор.

Работа коммутатора проста. Сигнал управления, поступающий от интерфейса 14, открывает транзистор 20, который подает напряжение на катушку реле 19 (К 1), включающего своими контактами (К 1.1) лазер. Конкретное исполнение БУЛ зависит от типа лазера. Если в нем предусмотрено управление (включение) сигналом U 5 В, то необходимость в этой части БУЛ отпадает, управление будет происходить непосредственно от интерфейса 14.

На фиг. 4 дана схема соединения блока управления масштабом БУМ 11 с другими блоками устройства. БУМ 11 выполнен на основе телевизионной установки прикладного назначения ПТУ-62 и состоит из устройства наведения линейного усилителя пульта управления. БУМ 11 позволяет осуществлять четырехкратное дистанционное изменение масштаба изображения, работу в бесподстроечном режиме при изменении освещенности объекта, напряжения сети питания температуры окружающего воздуха. Гнездо ХР 2 пульта управления ПУ 120-1 "Внешнее управление" через стандартный интерфейс И 2 14 подключается к микроЭВМ 8, по командам которой осуществляется масштабирование изображения. В качестве телекамеры используется серийная телевизионная камера КТП 83-1. В качестве монитора 13 могут использоваться серийные видеоконтрольные устройства ВК 23В102 и ВК 50В100.

На фиг. 5 представлены варианты исполнения блока предварительной обработки 5 и буферного запоминающего устройства 6. С БЗУ на ВП 7 поступают следующие сигналы: сигнал разрешения с 34 на шину управления ВП 7; адрес с 38 на шину адреса ВП 7, данные с 37 на шину данных ВП 7. Цифрами на фиг. 5 обозначены: 24 пороговый элемент; 25, 26 первый и второй одновибраторы; 27, 28 первый и второй элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ; 29 первый блок памяти; 30 элемент ИЛИ 31 формирователь управляющих сигналов; 32 второй блок памяти; 33 первый счетчик; 34 формирователь сигнала разрешения; 35 второй счетчик; 36 блок управления; 37 буферная память; 38 счетчик.

На фиг. 6 приведена схема видеопроцессора ВП 7. Здесь на шину управления (ШУ) поступают следующие сигналы: тактовые импульсы и строчные гасящие импульсы с ТК 4 и сигнал разрешения с БЗУ 6.

В качестве микроскопа 3 используется серийный оптический микроскоп МБС 9 (или МБС-10), который непосредственно соединяется с телекамерой 4.

В качестве ЭВМ 8 можно использовать микроЭВМ семейства "Электроника 60" (PDP 11). Результаты анализа изображений индуцируются на дисплей 9.

По сравнению с известным предлагаемое устройство имеет более высокую точность работы и более высокое быстродействие. Точность работы устройства повышается за счет увеличения изображения исследуемого участка объекта, в результате чего устройство сможет анализировать более мелкие (микроскопические) смещения и развороты исследуемых участков. Известно, что с помощью микроскопа можно (значительно) уменьшить анализируемую площадь (12). Кроме того, увеличение масштаба изображения позволяет "растянуть" необходимый участок еще сильнее (т.е. часть изображения на весь кадр) и произвести детальное исследование необходимого участка объекта. Таким образом, в результате применения микроскопа и блока управления масштабом общее (суммарное) увеличение устройства будет

N_c N_м x N_БУМ, (6) где N_м, N_БУМ увеличение микроскопа и БУМ соответственно. Например, использование микроскопа МБС 9 с увеличением 14 и БУМ с увеличением 4 N_c= 56.

Точность работы устройства повышается также за счет предварительной обработки считываемого изображения. Предварительная обработка ТИ осуществляется с целью удаления шумов (сглаживание, фильтрация), улучшения контрастности, коррекции изображений.

Предлагаемое устройство обладает более высоким быстродействием по сравнению с известным в n раз, т.е.

n (7) где t_прот быстродействие прототипа; t_{пр.устр} быстродействие предлагаемого устройства.

Быстродействие прототипа находится по следующей формуле:

t_прот= t_i (8) где t_i время, необходимое для включения лазера (обычно t₁ 0,001 с); t₂ время прохождения света от лазера до объекта и от объекта до телевизионной камеры; t₃ время считывания изображения телевизионной камерой; t₄ время преобразования изображения интерфейсом (преобразование аналогового сигнала в цифровой); t₅ время обработки видеоинформации на ЭВМ. Время можно не учитывать из-за малости (оптический сигнал от лазера до телекамеры распространяется со скоростью света). Время t₃ t₄ 210^-2 c (для изображения размером 256 х 256), а время t₅ 15,0 с (время формирования изображения ВКФ и ЭВМ и оценка величины деформации). Подставляя данные в (8), получаем t_прот 15,041 с.

Быстродействие предлагаемого устройства находится по формуле

t_{пр.устр}= t, (9) где t₁" время, необходимое для смещения лазера, микроскопа и телевизионной камеры на требуемый участок (реализуется с помощью блока смещения); t₂" время, необходимое для включения лазера (через блок управления лазером); t₃" время прохождения света от лазера до объекта и от объекта до телевизионной камеры; t₄" время считывания изображения с помощью телевизионной камеры; t₅ время, необходимое для установки требуемого масштабa; t₆ время предварительной обработки изображения с помощью блока предварительной обработки; t₇ время записи ТИ в буферное запоминающее устройство; t₈ время получения информации с помощью видеопроцессора; t₉ время обработки информации на микроЭВМ. Перечисленные времена имеют следующее значение t₁" 1,0 c; t₂" t₁" 0,001 c; t₃" t₂0; t₄" t₃ 0,02 c; t₅" 0,001 c; t₆" t₇" t₃= 210^-2 c; t₈" t₉" 0,02 c. Подставляя в (9), получаем t_{пр.устр} 1,082 с. В итоге получаем, что быстродействие предлагаемого устройства в n 15,041/1,082 14,7 раза выше, чем у известного.