Разработка и исследование оптико-цифровой измерительной системы для контроля труднодоступных полостей энергоагрегатов

• Автор: Филинов, Михаил Владимирович
• Шифр специальности: 05.11.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 122 с. : ил.

Глава 1. Аналитический обзор методов и средств оптической дефектометрии узлов энергоагрегатов
1.1. Характеристика объектов контроля и задач измерений
1.2. Обзор методов оптической дефектометрии
1.3. Обзор средств оптической дефектометрии труднодоступных объектов
1.4. Выводы, постановка задач исследования
Глава 2. Анализ метрологических возможностей микротелевизионных дефектометрических систем
2.1. Метод светового сечения для измерения объемных поверхностных несплошностей
и его метрологические характеристики
2.2. Преобразование измерительной информации микротелевизионными системами контроля
2.3. Частотно-контрастные характеристики видеоэндоскопических систем
2.4. Влияние цифровой обработки изображений на дефектоскопическую чувствительность
контроля и точность дефектометрии
Выводы
Глава 3. Экспериментальное исследование метрологических характеристик дефектометрических систем
3.1. Разработка методологии измерения частотно-контрастной характеристики микротелевизионных измерительных систем
3.2. Разработка методики изхмерения частотно-контрастной характеристики приборов
оптической дефектоскопии
Выводы
Глава 4. Разработка и внедрение систем компьютерной микротелевизионной дефектоскопии
4.1. Компьютерная телевизионная система БХ 2 для контроля внутренней поверхности труб нефтегазового сортамента
4.2. Компьютерная микротелевизионная измерительная система БХ 3 для контроля изделий спецтехники методом светового сечения
4.3. Компьютерная видеодефектометрическая система БХ 3 БСН для контроля сотовых панелей авиационных турбин
4.4. Применение системы БХ 3 в капиллярной и магнитопорошковой
дефектоскопии
Выводы
Заключение
Литература

В настоящее время насыщенность среды обитания техногенными системами повышенной опасности достигла критического уровня. Положение усугубляется тем, что основное количество топливно-энергетических, авиакосмических и других систем и средств отработало свой ресурс, однако экономическое состояние не позволяет снимать их с эксплуатации.
В связи с этим определяющее значение приобретает контроль объектов, повышенной опасности по состоянию для определения остаточной ресурса. Это напрямую связано с задачами повышения безопасности эксплуатации такого рода объектов. Переход к эксплуатации по состоянию требует создания средств видеоскопического контроля объектов с обязательной функцией измерения размеров дефектов; размеры дефектов сравниваются с допустимыми значениями, полученными на основе прочностных расчетов, контролируется динамика развития дефектов.
Цель работы - снижение погрешности определения размеров дефектов при телевизионном эндоскопическом контроле, разработка средств видеоэндоскопического контроля и измерения параметров состояния внутренних полостей объектов повышенной опасности. В диссертационной работе решались следующие задачи:
1. Разработка аналитических моделей процессов передачи и воспроизведения
изображения в оптико-телевизионных системах контроля с целью описания их пространственных передаточных характеристик;
2. Разработка и исследование методик метрологической аттестации систем
оптико-телевизионного контроля;
3. Разработка методов оптимизации оптической передаточной функции с целью
улучшения пространственных передаточных характеристик;
4. Разработка и реализация методов цифровой обработки изображения для
существенного повышения разрешения системы и качества оцифрованного изображения;
5. Реализация программно-аппаратного комплекса с улучшенными метрологическими характеристиками, легко наращиваемого и реконфигурируемого, со сквозной калибрацией системы, возможностью измерении геометрических и физических характеристик объекта контроля.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Разработана математическая модель объектов видеоэндоскопических измерений и формулы для определения погрешностей измерений дефектов с учетом масштаба изображения и перспективных искажений.
2. Проведена классификация методов линейных измерений дефектов в видеоэндоскопических системах и обоснован выбор метода светового сечения как наиболее эффективного и адекватного задачам дефектометрии узлов и деталей авиакосмической техники и энергоагрегатов.
3. Впервые теоретически и экспериментально исследованы метрологические характеристики цифровых видеоэндоскопических систем, проанализировано влияние ЧКХ она погрешность измерения размеров трехмерных пространственных дефектов.
4. Определены перспективы развития цифровых видеоэндоскопических систем. Предложен и реализован новый адаптивный метод светового сечения для дефектометрии объектов с помощью видеоэндоскопических систем, инвариантный к ориентации дефектов на поверхности объекта.

5. Разработана методика измерения ЧКХ видеоэндоскопических систем и методика оценки эффективности влияния цифровой фильтрации на достоверность контроля и погрешность дефектометрии объектов.
Системы различных поколений и модификаций, разработанные в рамках настоящей диссертации, внедрены на предприятии УралЛУК Трубмаш (г. Челябинск), в ФТТДТ "Союз"(г. Люберцы), НПО "Рыбинские Моторы" (г. Рыбинск). Готовится ввод в эксплуатацию еще одной установки DX 2.1 на УралЛУК Трубмаш, а также на НПО "Салют" (г. Москва).
Диссертация состоит из четырех глав и списка литературы.
В первой главе приводится анализ специфики объектов контроля - энергетических установок большой единичной мощности и задач дефектометрии для данного класса объектов; приводится классификация типовых дефектов авиакосмической техники, контролируемых средствами эндоскопии и видеоэндоскопии. Приведен обзор созданных ранее и применяемых в настоящее время видеодефектометрических систем; показаны тенденции их развития. Показаны перспективы развития и применения цифровых средств работы с изображением и визуальной дефектоскопии и дефектометрии. Определены задачи исследования.
Во второй главе проведены теоретические исследования по созданию математической модели оптико-телевизионного тракта цифрового измерительного видеоэндоскопа, реализующего метод светового сечения для
измерения трехмерных дефектов. Анализируется влияние цифровой обработки изображения на чувствительность контроля и точность дефектометрии.
Основное внимание уделено анализу погрешностей измерения с учетом специфики применения измерительных видеоэндоскопов для диагностики труднодоступных узлов и агрегатов авиакосмической техники.
Показано, что источники погрешностей можно разбить на три основные группы: масштабные и перспективные искажения размеров и формы дефектов;
• размытие границ и контуров изображения дефекта, обусловленное фильтрацией пространственно-частотных спектров объективом видеоэндоскопа и дискретной структурой матричного ПЗС-преобразователя;
• погрешности апостериорной обработки изображений, вызванные апертурными ограничениями реальных цифровых фильтров с конечным числом анализирующих элементов.
В третей главе приводятся описания и результаты эспериментальных исследований метрологических характеристик видеодефектометрических систем. Разработана методология измерения частотно-контрастной характеристики микротелевизионных измерительных систем; исследованы метрологические характеристики ПЗС ТВ-камер. Приводится описание разработки методов и средств метрологического обеспечения систем компьютерной дефектометрии, исследований метрологических характеристик измерительных видеоскопов и их основных элементов - объективов и ПЗС-матриц.
В четвертой главе описываются созданные при непосредственном участии автора системы типового ряда DX, внедренные на ряде предприятий авиакосмической и нефтегазовой отраслей - базовая дефектоскопическая система DX 2, базовая измерительная дефектоскопическая система DX 3, специальная измерительная дефектоскопическая система DX 3 SCH. Приведены результаты исследований по применению системы DX 3 для наблюдения и измерения результатов магнитопорошковой и капиллярной дефектоскопии контрастным и флуоресцентным методами.

лх <1 +—+— 2
гГ 1 л(х')л(у)ехр

2 "
-]-2я
2Х Ау у
сЬс'сіу'
(2.43)
Используются понятия частотно-контрастных характеристик (ЧКХ), определяющих относительную контрастность компонентов.

/ тах тіп . л
к = — <
(2.44)
и абсолютный контраст изображения:
(2.45)
где ^тах И ^тіп' значения максимальной и минимальной яркости компонентов изображения одной и той же пространственной частоты соответственно.
Растровая фильтрация. Изображение подвергается не только апертурной, но и растровой пространственной фильтрации [12]. При одномерной (строчной) дискретизации изображения растровая фильтрация отражается на характеристиках поперечного разложения. При двумерной (точечной) дискретизации изображения в ПЗС растровая фильтрация влияет не только на поперечные, но и на продольные характеристики.
Для восстановления исходного изображения по совокупности передаваемых отсчетов, следующих с интервалами дискретизации 8Х в продольном и 8 в поперечном
направлениях, в соответствии с теоремой отсчетов необходимо выполнить два условия. Спектр передаваемых пространственных частот вдоль осей дискретизации следует
^1111
ограничить частотами г = ~~ < —т~, г = — < --. На приемной стороне необходим
А 25X Лу 25у
идеальный двумерный фильтр нижних пространственных частот с граничными частотами Рх и Ру и импульсной характеристикой
зт(2ж/^х') • зіп(2ж/^у|
(2.46)
Ая РхРух'у'
Эти условия не выполняются. Распределения прозрачности в апертурах передающего и приемного звена далеки от идеальных. В таком случае растровая фильтрация приводит к перекрытию основного спектра побочными спектрами дискретизации и транспонированию высокочастотных компонентов пространственных частот изображения с периодом изменения яркости Л, меньшим удвоенного интервала дискретизации 3, и относительной пространственной частотой £ = 5/X > 0,5 в низкочастотную область с появлением частот биений
& = с - а < 0,5,
(2.47)
проявляющихся на изображении в виде посторонних узоров - муаров. Здесь с - ближайшее к £ целое число.
Апертурная пространственная фильтрация на приемной стороне происходит после