ЭЛЕКТРОННО-ПРОЕКЦИОННЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФОРМЫ И ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ПОВЕРХНОСТИ ОБЪЕКТА Российский патент 1996 года по МПК G01B21/00 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения формы и перемещений поверхности объекта.

Известны интерференционные способы [1] измерения поверхности, использующие интерферометры высокой точности измеряющие небольшую площадь поверхности.

Недостатками способов являются жесткие требования виброизоляции, ограничение верхнего предела измерений и малая площадь исследования. Известны методы голографической интерферометрии [2] использующие высокоразрешающие фоторегистрирующие средства. Известны муаровые методы (отражательной, теневой, проекционной) [3, 4, 5, 6] позволяющие исследовать топографию поверхности. Методы включают фотографический процесс. Обработка картин полос может быть выполнена и на устройствах типа микроденситометра [3] Известен способ преобразования муаровой картины в электрический сигнал [7] обработка которого позволяет преобразовать разность уровней измеряемой поверхности в электрический сигнал.

Наиболее близким техническим решением является муаровый метод [3] заключающийся в том, что на поверхность объекта проецируют со слайда изображение сетки. Затем это изображение сканируют телевизионным преобразователем. Полученные видеосигналы контрольного растра вводят в ЭВМ, причем предварительно вводят мнимый растp, сравнивают его с введенным контрольным растром. Затем по результатам сравнивая определяют состояние формы поверхности объекта или ее перемещение.

Однако известный способ получения измерения формы и перемещения поверхности объекта очень трудоемок и сложен для автоматизации процесса.

Для того, чтобы объективизировать контроль необходимо, чтобы положение главных оптических осей проектора и телевизионного преобразователя были установлены так, чтобы они пересекались в одной точке поверхности объекта, а ось проектора пересекала темную линию сетки.

Форма поверхности объекта определяется с помощью ЭВМ как расстояние двух соседних точек на "мнимых" муаровых полосах до контрольной плоскости.

Для описания предлагаемого способа приводятся фиг. 1, 2, 3, 4.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого способа.

На фиг. 2 структурная схема системы регенерации и обработки муаровых картин.

На фиг. 3 оптическая схема способа.

На фиг. 4 схема определения углов освещения и наблюдения.

Структурная схема (фиг. 1) для реализации предлагаемого способа содержит: проектор 2 и телекамеру 3, устройство ввода и вывода видеоинформации 4, а также ЭВМ 5, видеоконтроллер 6, дисплей 7 и растр 8.

Предлагаемый метод реализуется следующим образом. На исследуемую поверхность 1 проектором 2 проецируется линейчатая сетка, состоящая из темных и светлых линий. Изображение сетки, содержащее информацию о геометрии поверхности воспринимается телекамерой 2. Проектор 2 и телекамера 3 установлены на площадке так, чтобы оптические центры О' и О" их объективов и точка С пересечения главных оптических осей находились в одной плоскости. Видеоинформация с телевизионной камеры 3 поступает в устройство ввода и вывода видеоинформации 4. На устройство ввода и вывода видеоинформации возложены функции кодирования, определения координат линий сетки и посылки их в память ЭВМ, вывод изображения муаровых полос на дисплей 7. В ЭВМ 5 вводится контрольная сетка в виде координат центров темных линий, которые являются функцией шага сетки на слайде в проекторе, расстояния от базовой плоскости К₁C, угла между оптическими осями объектов β, масштаба изображения и порядкового номера линии сетки. Функциональное задание контрольной сетки соответствует расположению растра 8 (фиг. 1) в известном теневом муаровом методе [3]
Поэтому в дальнейшем базовую плоскость отсчета будем называть "мнимый" растр 8. Функция "мнимого" растра приведена к координатной системе, находящейся в приемной плоскости видикона телекамеры 3.

В ЭВМ производится формирование муаровой картины в виде координат центров муаровых полос. Определение центра муаровой полосы осуществляется путем сравнения координат изображения проекции сетки при построчном сканировании и контрольной ("мнимого" растра) на принципе теневого муарового метода [3] В теневом муаровом методе муаровая полоса образуется при совпадении середины темной линии растра и светлой его тени.

Юстировка оптической системы выполняется в следующей последовательности (см. фиг. 1). Линия О'О", соединяющая оптические центры объективов проектора и телекамеры с главной оптической осью (линия О'С) проектора составляет прямой угол. Телекамера располагается на вращающейся площадке с центром О". При измеренном расстоянии О'О" и угла b можно определить необходимые в дальнейшем расстояния О'C и О"C. Для обеспечения пересечения главных оптических осей проектора и телекамеры в точке С можно использовать лазер или диафрагмы с центральным отверстием на слайде для проектора и для объектива телекамеры. Пересечение осей определяется по светлому пятну на телемониторе. Слайд с линейчатой сеткой изготовляется так, чтобы через его центр проходила темная линия. Слайд с сеткой устанавливается в проектор так, чтобы центральную линию сетки пересекла главная оптическая ось.

Блоки 4, 5, 6, 7 фиг. 1 образуют систему регенерации и обработки муаровых картин. В состав блока 4 входит: а) драйвер телекамеры (9 фиг. 2), служащий для преобразования аналогового сигнала телекамеры в цифровой код и запись его в видеопамять блока 5 (фиг. 1); б) видеоконтроллер (10 фиг. 2), служащий для визуализации исходных и обработанных муаровых картин на видеомониторе 7 (фиг. 1), а также для отображения графической информации, полученной в результате расшифровки муаровых картин.

В состав блока 5 (фиг. 1) входит: а) микро ЭВМ МС 12012 (1 фиг. 2); б) алфавитно-цифровой видеотерминал (2 фиг. 2); в) накопитель на магнитном диске (4 фиг. 2); г) накопитель на гибком диске (5 фиг. 2); буферная видеопамять (8 фиг. 2).

Программное обеспечение выполняет следующие функции:
1. Ввод картины проецируемой сетки с исследуемого объекта в видеопамять.

2. Генерацию картины "мнимого" растра в видеопамяти по формулам (17).

3. Получение разностной муаровой картины из введенной проецируемой сетки и сгенерированного растра.

4. Визуализации на мониторе (7), полученной муаровой картины.

5. Выбор требуемого сечения и нумерация порядка муаровых полос, определение координат центров муаровых полос по сечению.

6. Построение функции W W(p,N,x) по формуле (19) с использованием сплайнинтерполяции, где p шаг растра, N номер полосы, х координаты центров муаровых полос.

Перейдем к выводу функции "мнимого" растра, засылаемой в память ЭВМ. С этой целью воспользуемся фиг. 3.

Примем следующее обозначение:
∠O′CO″ = β = 90^°- ∠O′O″C. (1)
Определим расстояния:
O′C = O′O″tgβ, (2)

Базовая плоскость отсчета ("мнимый" растр) совмещена с координатной плоскостью ХY с началом координат в т. К₁ пересечение главной оптической оси Z проектора и середины темной линии сетки, ось Y направлена от наблюдателя (см. фиг. 3). Координатная плоскость Х₁Y₁ совпадает с приемной плоскостью видикона телекамеры, ось Y₁ направлена к наблюдателю, начало координат С₂ на главной оптической оси (ось Z₁).

Из треугольников СК₁C₁, C₁О"L₁ имеем:
K₁C₁ = K₁Ctgβ, (4)
CC₁ = K₁Csinβ, (5)

где С₁О" О"C CC₁. (7)
Из прямоугольного треугольника О"L₁К₁ следует

т.к. K₁О' О"L₁, K₁L₁ О'О".

Согласно теореме синусов из треугольника К₂K₁C₁ имеем

где
γ = 180^°- α -β.
Изображение т. К₁ (начало координат в системе ХY) в системе координат Х₁Y₁ определяется геометрическим законом оптики для объективов, т.е.

где К₃C₁ по формуле (9);
m_к масштаб изображения объективом телекамеры.

Масштаб изображения вычисляется по известной формуле

Здесь С₁О" соответствует формулам (7) и (5), f_к главное фокусное расстояние для объектива телекамеры.

Изображение точки М_1л, находящейся в плоскости XY на середине темной линии слева от т. К₁, в координатной системе X₁Y₁ соответствует т. М'_1л, а ее координата вдоль оси Х₁ расстоянию С₂M'_1л. Построим координатную плоскость Х₂Y₂ нормально к оси Z₁ с началом координат в точке С₁. Тогда координата

где
K₁C₁ по формуле (4),
p am_g шаг "мнимого" растра;
а шаг линий сетки на слайде АВ (фиг. 3);
масштаб проекции сетки в плоскости "мнимого" растра;
f_g -> главное фокусное расстояние для объектива телекамеры

M_1лL₁ О'О" + p,
γ₁ = 180^°- α₁- β.
После подстановки получим координату точки М'_1л в координатной плоскости Х₁Y₁ получим

Для точки М_2л на (фиг. 3 не показана), находящейся на соседней темной линии аналогично получим

где
γ₂ = 180^°- α₂ - β.
Для любой i-й точки, находящейся на середине темной линии и положительно полуоси Х₁, имеем

где i 1, 2, 3,

γ_i = 180^°- α_i - β.
Для координат изображений центров темных линий, находящихся между точками К₁ и С₁ в системе XY, выполняя аналогичные выкладки0 получим:

где
γ_i = 180^°- α_i - β
i 1, 2, 3 отсчет вправо от т. К₁.

Обобщая результаты запишем функцию координат сетки, записываемой в память ЭВМ:
(16)
i 0, 1, 2, 3, при Х₁ ≥ C₂K₂,
i 0, -1, -2, -3, при Х₁ ≅ C₂K₂.

Преобразуем выражение (16), используя ранее полученные соотношения:

i 0, 1, 2, 3, при ,
i 0, -1, -2, -3, при
где ,
γ_i = 180^°- α_i- β, α = α_i(i=0), γ = γ_i(i=0),
K₁О расстояние от оптического центра объектива проектора до "мнимого" растра, С₁О" расстояние от оптического центра объектива телекамеры до точки пересечения главных оптических осей;
β- угол между главными оптическими осями;
f_g, f_к главные фокусные расстояния для объективов проектора и телекамеры;
K₁C расстояние от "мнимого" растра до точки на исследуемой поверхности вдоль главной оптической оси проектора;
а шаг сетки на слайде в проекторе.

Для образования муаровых полос производится построчное сканирование изображения проекции сетки на исследуемой поверхности в приемной плоскости видикона, т. е. в координатной плоскости Х₁Y₁ и через блок ввода и вывода видеоинформации координаты светлых линий засылаются в ЭВМ. В ЭВМ производится поиск точек, где выполняется условие:
X_1pX_1п (18)
Здесь Х_1p определяется формулой (17), а Х_1п координата светлой линии проекции сетки.

Изменение расстояния от базовой плоскости ("мнимого" растра) до исследуемой поверхности для двух соседних муаровых полос определяется также как и для теневого муарового метода [3]

a шаг линий сетки на слайде;
m_g масштаб проекции в плоскости "мнимого" растра;
Φ₁, Φ₂ углы освещения и наблюдения "мнимого" растра.

Углы Φ₁, Φ₂ определяются формулой из [8]

Здесь (см. фиг. 4):
α = O′K₁ при Φ = Φ₁,
α = O″C₁ при Φ = Φ₂,
Φ_o = 0 при Φ = Φ₁,
Φ_o = β при Φ = Φ₂.
Z₁ оптическая ось телекамеры,
Z оптическая ось диапроектора,
X ось, лежащая в плоскости "мнимого" растра,
AB сетка на слайде в диапроекторе,
A₁B₁ проекция сетки на исследуемой поверхности,
A₂B₂ изображение проекции сетки на приемной поверхности видикона телекамеры,
X₁ ось, лежащая в приемной плоскости видикона,
X₂ ось, нормальная к оси Z₁ и проходящая пересечение осей Х и Z₁,
О точка на оси вращения площадки с диапроектором и телекамерой,
О' оптический центр объектива диапроектора,
О" оптический центр объектива телекамеры,
C точка пересечения осей Z и Z₁ на исследуемой поверхности,
C₁ точка пересечения осей Х и Z₁,
M₁ точка посередине темной линии на "мнимом" растре",
M₂ изобретение точки М₁ на приемной плоскости видикона,
K₁ точка пересечения осей Х и Z,
K₂ изображение точки К₁ на приемной плоскости видикона,
C₂ изображение точек С и С₁ на приемной плоскости видикона,
D середина светлой полосы на проекции сетки на исследуемой поверхности,
D₂ изображение точки D на приемной плоскости видикона,
О"L₁ нормаль к оси Х.

1. Оптические приборы в машиностроении. Справочник. М. Машиностроение, 1974, 238 с.

2. Островский Ю.И. Бутусов М.М. Островская Г.В. Голографическая интерферометрия. М. Наука, 1977, 336 с.

3. Теокарис Т. Муаровые полосы при исследовании деформаций. М. Мир, 1972, 236 с.

4. Новицкий В. В. Андреева Е.Н. Исследование изгиба пластинок методом муаров. В кн, Расчет пространственных конструкций, вып. 9. М. Стройиздат, 1964, 201-242 с.

5. Новицкий В. В. Новые исследования по методу муаров. В кн. Расчет пространственных конструкций, вып. 11. М. Стройиздат, 1968, с. 13-30.

6. Денисов П.И. Некит В.А. Заикин А.В. и др. Авт.свид. N 623598. "Бюлл. Открытия, Изобретен, Пром. образцы, Тов. знаки". 1978, N 38, 18 c.

7. Заякин В.В. Кучерюк В.И. Гребенщикова М.А. Муравина В.М. Об определении прогибов методами голографии и муаровых полос. Киев: Проблемы прочности N 3, 1979, 70-73 c. ЫЫЫ2

Использование: в измерительной технике для измерения формы и перемещений поверхности объекта. Сущность изобретения: с целью повышения объективности контроля, сетку проектируют так, чтобы темная линия пересекала главную оптическую ось проектора, изображение сетки сканируют телекамерой так, чтобы главные оптические оси проектора и телекамеры пересекались в точке на поверхности объекта, параметры (координаты) полученного таким образом контрольного растра сравнивают в ЭВМ с заранее введенными в нее параметрами "мнимого растра". 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Электронно-проекционный муаровый способ контроля формы и перемещений объекта, заключающийся в том, что на поверхность объекта проецируют со слайда изображение сетки, сканируют это изображение телевизионным преобразователем, видеосигналы полученного таким образом контрольного растра вводят в ЭВМ, в которую предварительно вводят "мнимый" растр, сравнивают его с введенным контрольным растром и по результатам сравнения определяют состояние формы поверхности объекта или ее перемещение, отличающийся тем, что положение главных оптических осей проектора и телевизионного преобразователя устанавливают согласно выражению:

где i 0, 1, 2, 3, при
,
i 0, -1, -2, -3, при

f_k, f_g главные фокусные расстояния для объективов телекамеры и проектора;
K₁0¹ расстояние от оптического центра объектива проектора до "мнимого" растра;
C₁0" расстояние от оптического центра объектива телекамеры до точки пересечения главных оптических осей;


γ_i = 180^°- α_i- β;
α = α_i (i=0);
γ = γ_i (i=0);
β угол между главными оптическими осями;
K₁C расстояние от "мнимого" растра до точки на исследуемой поверхности вдоль главной оптической оси проектора;
а шаг сетки на слайде в проекторе;
x₁ расстояние от главной оптической оси телекамеры до проекции точки пересечения главной оптической оси проектора и "мнимого" растра на приемную плоскость телекамеры; "мнимый" растр плоскость, перпендикулярная к главной оптической оси проектора, располагаемая на задаваемом расстоянии до точки пересечения главной оптической оси проектора и поверхности объекта. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что форма поверхности объекта определяется с помощью ЭВМ как расстояние ее точек для двух соседних "мнимых" муаровых полос до контрольной плоскости согласно выражению:

где а шаг линий сетки на слайде;
m_g масштаб проекции сетки;
Φ₁,Φ₂- углы освещения и наблюдения контрольной плоскости.