Оптико-телевизионное устройство для отображения зон локализации деформации поверхности

Заявляемая полезная модель относится к устройствам для исследования и контроля напряженно-деформируемых состояний, технологического контроля при деформационном преобразовании твердых тел, дефектоскопии и механических испытаниях материалов. Техническая задача, решаемая с использованием заявляемого технического решения, состоит в создании устройства для исследования и контроля напряженно-деформируемых состояний твердых тел. Технический результат, получаемый в результате реализации полезной модели, состоит в обеспечении наглядной визуализации нестандартных образцов размеров от 100 до 10 мм при высокой точности отображения зон локализации деформации. Указанный технический результат при осуществлении заявляемого технического решения достигается тем, что заявляемое оптико-телевизионное устройство содержит источник когерентного излучения и связанную с компьютером систему телерегистрации поверхности. Особенностью устройства является то, что оно дополнительно содержит контроллер, управляемый компьютером и связанный со всеми узлами устройства, а также модуль управления изменениями параметров системы телерегистрации, связанный с контроллером.

Заявляемая полезная модель относится к устройствам для исследования и контроля напряженно-деформируемых состояний, технологического контроля при деформационном преобразовании твердых тел, дефектоскопии и механических испытаниях материалов.

Известно устройство [SU 1126812 А1, 1984] для измерения деформаций диффузноотражающих объектов, содержащее последовательно установленные источник когерентного излучения, транспарант с приводом, интерферометр сдвига, состоящий из двух параллельных дифракционных решеток с параллельно ориентированными штрихами, два фотоприемника и фазометр, подключенный к выходам фотоприемников, при этом оно дополнительно снабжено установленным между источником когерентного излечения и транспарантом гетеродинным интерферометром сдвига с апертурной диафрагмой, величина сдвига которого равна диаметру его апертурной диафрагмы, транспарант выполнен в виде спекл-фотографии с разнесенной спекл-структурой, промодулированной интерференционными полосами, ориентированными перпендикулярно вектору смещения разнесенной спекл-структуры, и установлен под углом Брэгга к оптической оси так, что направление сдвига гетеродинного интерферометра лежит в одной плоскости с вектором смещения разнесенной спекл-структуры, проекция вектора смещения на направление, перпендикулярное оптической оси устройства в плоскости сдвига гетеродинного интерферометра сдвига, равна величине этого сдвига, решетки интерферометра сдвига установлены параллельно плоскости транспаранта так, что штрихи решеток ориентированы перпендикулярно вектору смещения разнесенной спекл-структуры, один из фотоприемников установлен в ходе излучения, прошедшего через транспарант без отклонения, а другой фотоприемник установлен в ходе излучения, рассеянного на транспаранте.

Однако, при достаточно высокой точности работы известного устройства, не обеспечивается наглядная визуализация в реальном времени.

Известно устройство для определения деформации [Оптико-телевизионные методы исследования и диагностики материалов на мезоуровне // Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов: В 2 т. /В.Е.Панин,

В.Е.Егорушкин, П.В.Макаров и др. - Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1995. - T.1. - 298с.], одной из функций которого, в частности, является визуализация полей поверхностной деформации. В состав устройства входит осветительная система, последовательно соединенные телевизионная камера, цифровое устройство видеоввода, компьютер. Последний наделен функциями запоминания цифровых видеокадров, соответствующих эталонному и деформированным состояниям поверхности, и вычисления для них поля выборочного коэффициента взаимной корреляции (ВКВК) с последующим его численным дифференцированием для получения и отображения поля деформации.

Недостатком устройства является реализация им отображения зон локализации деформации на основе однократных измерений ВКВК, подверженных статистическому разбросу в силу ограниченности размеров корреляционных окон, используемых при измерении.

Известно устройство, реализующее декорреляционный способ визуализации зон локализации деформации, описанное в работе [Горбатенко В.В., Полякова С.Н. и Зуева Л.Б., Метод вычислительной декорреляции видеоизображений со спекл-структурой и аппаратура для визуализации зон локализации деформации в реальном времени /Полнотекстовая база данных "Научно-технические разработки России". - Инфор. лист.72-044-2000]. Устройство содержит в своем составе лазер, оптическую систему освещения контролируемой поверхности, последовательно связанные телевизионную камеру, цифровое устройство видеоввода, компьютер и монитор. Компьютер реализует функции управления видеовводом, запоминания цифровых видеокадров, вычислений карт выборочного коэффициента взаимной декорреляции (ВКВД) между разнесенными во времени видеокадрами с последующим запоминанием и визуализацией их на экране монитора результатов вычислений или выводом (например, в файл для последующего отображения другими техническими средствами). Частоты повторения видеоввода, вычислений и визуализации, размеров корреляционного окна и временной сдвиг видеокадров, подвергаемых корреляционному анализу, подлежат предварительному программному определению.

Недостатком устройства является его неспособность выполнения статистически независимых измерений ВКВД для мало различающихся по степени деформации, ближайших во времени наблюдений вследствие высокой корреляции наблюдаемых при этом спекл-структур, формируемых при неизменном освещении.

Наиболее близким к заявляемому является оптико-телевизионное устройство [RU 2192621 С2, 2002], содержащее источник когерентного излучения, оптическую систему освещения контролируемой поверхности, последовательно связанные систему телерегистрации поверхности, цифровое устройство видеоввода и соединенный с дисплеем компьютер. Система телерегистрации поверхности выполнена с возможностью одновременной регистрации совокупности ее одинаково дифракционно ограниченных изображений со статистически взаимно независимыми спекл-структурами, реализуемой вариантами многоракурсной и/или цветной телесъемки.

Однако, возможно применение известного устройства только для исследования образцов стандартных размеров, а именно, длиной 100 мм, применяемых на испытательной машине INSTRON.

Техническая задача, решаемая с использованием заявляемого технического решения, состоит в создании устройства для исследования и контроля напряженно-деформируемых состояний твердых тел.

Технический результат, получаемый в результате реализации полезной модели, состоит в обеспечении наглядной визуализации нестандартных образцов размеров от 100 до 10 мм при высокой точности отображения зон локализации деформации.

Указанный технический результат при осуществлении заявляемого технического решения достигается тем, что заявляемое оптико-телевизионное устройство содержит источник когерентного излучения и связанную с компьютером систему телерегистрации поверхности.

Особенностью устройства является то, что оно дополнительно содержит контроллер, управляемый компьютером и связанный со всеми узлами устройства, а также модуль управления изменениями параметров системы телерегистрации, связанный с контроллером.

Кроме того, контроллер представляет собой электронную плату, работающую напрямую с компьютером через последовательный порт.

Кроме того, модуль управления изменениями параметров системы телерегистрации выполнен с возможностью регистрации рабочей области образца от 100 до 10 мм с сохранением разрешения.

Кроме того, система телерегистрации поверхности представляет собой цифровую видеокамеру.

Кроме того, в качестве источника когерентного излучения выбран гелий-неоновый лазер.

Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1 - фиг.3.

На фиг.1 - представлена блок-схема предлагаемого устройства.

На фиг.2 - показана схема работы устройства.

На фиг.3 - представлен вид спеклов на поверхности исследуемого образца (объекта).

На фиг.1 блок-схема устройства содержит контроллер 1, управляющий узлами устройства, модуль управления изменениями параметров системы телерегистрации 2, источник когерентного излучения 3 для подсветки образца (объекта), систему телерегистрации поверхности (видеокамеру) 4, регистрирующую спеклы на поверхности образца (объекта) и компьютер 5.

В основу работы устройства заложен следующий принцип - объект освещается рассеянным пучком когерентного излучения, тем самым, создавая на поверхности объекта спекл-картину. Спеклы «привязаны» к поверхности. При деформации объекта спеклы начинают менять свое положение вместе с деформацией поверхности объекта, а видеокамера в свою очередь регистрирует эти изменения (кадр за кадром). Следовательно, отличия в соседних кадрах дают картину изменений, произошедших на поверхности объекта.

Устройство состоит из программно-аппаратной части и программы обработки.

В качестве источника когерентного излучения использован лазер.

Контроллер представляет собой электронную плату, работающую напрямую с компьютером через последовательный порт RS 232.

Модуль управления изменениями параметров системы телерегистрации представляет собой оптико-механический узел и выполнен с возможностью регистрации рабочей области образца от 100 до 10 мм с сохранением разрешения 1280 пикселей по длине.

Система телерегистрации поверхности представляет собой черно-белую цифровую видеокамеру с высокой степенью градации яркости- 16 бит с низким коэффициентом шума и высокой скоростью передачи данных.

В качестве источника когерентного излучения выбран гелий-неоновый лазер.

Устройство работает следующим образом (Фиг.2).

Объект освещается источником когерентного излучения (гелий-неоновый лазер 3, объектив служит для создания равномерной подсветки объекта, модуль управления изменениями параметров системы телерегистрации 2 изменяет размер диафрагмы и обеспечивает оптическое увеличение рабочей поверхности объекта (на Фиг.2 положение максимального увеличения показано пунктирными линиями, возможно десятикратное увеличение). Параметры системы телерегистрации настраиваются перед началом эксперимента. Цифровая камера 4 передает информацию через интерфейс IEEE 1394 на компьютер 5, где информация сохраняется либо как видео поток, либо как набор фотографий в формате (BMP). Частота съемки зависит от условий эксперимента. Видеокамера позволяет съемку с частотой до 5 раз в секунду, с разрешением 1280×1024 пикселей. Управление устройством осуществляется через последовательный порт RS 232.

Программа обработки основывается на яркостном вычитании двух соседних кадров: из предыдущего кадра вычитается последующий кадр. В итоге, сохраняются изменения расположения спеклов на поверхности образца, показанные на фиг 3 (а, б, в, г, д), и результат можно сохранить как видео файл.

Соответственно, получается очень наглядная и эффектная визуализация локализации пластической деформации исследуемого образца (объекта).

Технические характеристики устройства:

Габаритные размеры устройства 670×180×170. Устройство обладает десятикратным увеличением, возможна работа с объектами от 10 мм до 100 мм по длине, соответственно, разрешение 1280 пикселей на всю длину. Скорость съемки - 5 кадров в секунду при разрешении 1280×1024.

1. Оптико-телевизионное устройство для отображения зон локализации деформации поверхности, включающее источник когерентного излучения и связанную с компьютером систему телерегистрации поверхности, отличающееся тем, что дополнительно содержит контроллер, управляемый компьютером и связанный со всеми узлами устройства, а также модуль управления изменениями параметров системы телерегистрации, связанный с контроллером.

2. Оптико-телевизионное устройство по п.1, отличающееся тем, что контроллер представляет собой электронную плату, работающую напрямую с компьютером через последовательный порт.

3. Оптико-телевизионное устройство по п.1, отличающееся тем, что модуль управления изменениями параметров системы телерегистрации выполнен с возможностью регистрации рабочей области образца от 100 до 10 мм с сохранением разрешения.

4. Оптико-телевизионное устройство по п.1, отличающееся тем, что система телерегистрации поверхности представляет собой цифровую видеокамеру.

5. Оптико-телевизионное устройство по п.1, отличающееся тем, в качестве источника когерентного излучения выбран гелий-неоновый лазер.