Измерение формы объектов методом светового сечения

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(технический университет)

_______________________________________________________

Б.А. ЧИЧИГИН

Оптический и тепловой неразрушающий контроль

Лабораторно-практические занятия

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

 

 

МОСКОВСКИЙ ЭРЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

 

Б.А. ЧИЧИГИН

Оптический и тепловой неразрушающий контроль

Лабораторно-практические занятия

Методическое пособие

по курсу

«Оптический и тепловой неразрушающий контроль»

Для студентов обучающихся по специальности

«Приборы и методы контроля качества и диагностики»

Москва 2009

Лабораторная работа №1

 

Измерение формы объектов методом светового сечения

 

1. Цель работы

 

1.1 Изучение возможностей метода светового сечения для неразрушающего контроля.

1.2 Получение практических навыков полуавтоматического контроля формы объектов.

 

2. Домашнее задание

 

2.1 Ознакомиться с теоретическими основами метода светового сечения.

2.2 Изучить варианты его реализации для контроля 3D формы объектов.

 

3. Задание, выполняемое в лаборатории

 

3.1 Ознакомиться с описанием и схемой контроля формы объектов.

3.2 Направить лазерный генератор линии под углом к горизонтали, значение которого зависит от номера бригады на самую высокую концевую меры длины из набора.

3.3 Подключить цифровую камеру Canon A640 в режиме управления от компьютера. Оптическую ось камеру направить под углом 45º к горизонтали. Навести камеру на изображение лазерных полос на объекте. Выбрать оптимальное значение выдержки и диафрагмы и провести экспонирование.

3.4 Заменить концевую меру длины на меру с меньшей высотой и повторить экспонирование. Повторить действия этого пункта для всех мер из набора.

3.5 Измерить высоту объектов штангенциркулем и записать результаты. По полученным изображениям измерить высоту объекта в пикселях, предложив функцию связи между углами расположения камеры, лазерного осветителя и измеренной по изображению величиной.

3.6 Направить луч лазерного осветителя на образец с выточенным пазом. Считая глубину паза неизвестной измерить ее методом светового сечения.

3.7 Сделать выводы и оформить отчет по работе.

4. Описание лабораторной установки.

 

Лабораторная работа выполняется на базе серийной цифровой фотокамеры Canon A640. Помимо нее в состав лабораторной установки входит лазерный генератор линии, набор концевых мер длины, штангенциркуль, гибкая стойка для наведения лазера на объект и образца с выточенным пазом.

Лазерный генератор линии излучает в видимом диапазоне спектра, длина волны 635 нм, мощность 5 мВт.

Набор концевых мер длины состоит из 7 образцов, с различным точно выдержанным размером по одной из координат. В данной лабораторной работе будет измеряться высота объектов, поэтому изменяемым размером следует обращать образцы вверх (т.е. чтобы при смене образцов от одного к другому менялась не ширина, а высота).

 

5.Методические указания по выполнению работы.

 

5.1 Общие указания.

 

В лабораторной работе для измерения формы объектов используется метод светового сечения. Типичный прибор, основанный на принципе светового сечения представляет собой си­стему из двух оптических частей: оптической системы освещения, создающей изобра­жение светящейся линии на поверхности (СО) и системы наблюдения (СН).

Сущность метода светового сечения заключается в следующем. На поверхность под углом a к нормали проекти­руется изображение узкой освещенной линии. Это промежуточное изображение линии принимает форму профиля поверхности и на­блюдается с помощью микроскопа, или передается к светочувствительному элементу посредством оптического канала, оптическая ось которого состав­ляет угол β с нормалью к поверхности. В зависимости от вида по­верхности формирование профиля поверхности различно. Для хорошо отражающих поверхностей профиль формируется в резуль­тате отражения промежуточного изображения линии от шерохова­той поверхности по законам геометрической оптики. Для рассеи­вающих поверхностей (шлифованное стекло, дерево) профиль фор­мируется на самой поверхности при проектировании на нее изоб­ражения линии. Сущность метода и формирование профиля в про­странстве предметов элемента наблюдения показаны на рис. 1.1 для хорошо отражающих поверхностей и на рис. 2.2 для рассеи­вающих поверхностей, Промежуточное изображение d узкой линии проектируется под углом a относительно нормали к поверхности. Оно находится между поверхностями S₁ вершин и S₂, впадин. На этих рисунках Р — плоскость, нормальная к поверхности и плоскости падения, проходящая через центр промежуточного изображения линии, β — угол между нормалью к поверхности и оп­тической осью элемента наблюдения. На рис. 1.1, б и 1.2, б показано сечение поверхности, перпендикулярное плоскости Р и проходящее через оптические оси элементов СО и СН. Здесь d₁ и d₂ — изображения линии от поверхностей S₁ и S₂ соответст­венно. Из рис 1.1, б и 1.2, б видно, что край изображения линии, формирующий профиль, в одном случае (рис. 1.1, б) лежит в пло­скости, нормальной к поверхности и расположенной под углом 90˚-b к предметной плоскости Р1 элемента СН, в другом случае (рис. 1.2 б) лежит в плоскости, параллельной оптической оси СО. В поле зрения прибора изображение линии будет иметь вид, показанный на рис.1.2 в. Высота профиля в поле зрения элемента СН служит мерой высоты профиля поверхности. Масштаб изображения профиля определяется параметрами оптической системы и значениями углов a и b.

Согласно ГОСТам на практике большинство параметров определяются на профиле, образован­ном нормальным сечением поверхности. В приборах светового сече­ния наблюдается профиль, образованный косым сечением. Про­филь поверхности образуется в пространстве предметов СН, затем его изображение с помощью объектива передается в фокальную плоскость прибора, который измеряет высоту H_изм (или координаты точек) профиля, связанную с высо­той Н (или координатами точек) профиля поверхности в нормаль­ном сечении следующим соотношением:

Н_изм=НВV, (1.1)

где B - масштаб преобразования профиля поверхности в прост­ранстве предметов СН;

V - линейное увеличение ­объектива.

Чтобы определить высоту профиля Н (или координаты точек) в нормальном сечении, необходимо результат измерения разделить на BV. Таким образом, под масштабом В преобразования профиля подразумевается отношение высоты наблюдаемого профиля по­верхности в пространстве предметов СН квысоте профиля в нор­мальном сечении. Определим значение В в зависимости от угла проекции α и угла наблюдения β. Из рис. 1.1 (б) и 1.2 (б) видно, что положение наблюдаемого профиля относительно оптической оси и предметной плоскости СН различно в зависимости от способа преобразования профиля. Кроме того, оно определяется положе­нием предметной точки СН и СО относительно средней линии профиля (на рис. 1.1, б и 1.2, б предметная точка находится на средней линии профиля) и шириной линии или расстоянием края промежуточного изображения линии, по которому наблюдается профиль от оптической оси СО. Для лучшей наглядности при выводе формул масштаба преобразования профиля и отрезков, определяющих его положение в пространстве предметов СН, будем рассматривать профиль ступеньки, образованной двумя поверх­ностями.

 

Рассмотрим случай хорошо отражающих поверхностей. Допустим, что промежуточное изображение линии d проектируется на ступеньку, образуемую поверхностями А и В (рис. 1.3). Высота ступеньки в нормальном сечении Н; L₀ — расстояние предмет­ной точки О до линии, лежащей в нормальном сечении на расстоя­нии Н/2 от верхней и нижней линий профиля ступеньки и парал­лельной этим линиям; О₁О₁ и О₂О₂ -оптические оси СО и СН соответственно; Р₁ — предметная плоскость СН; d_A и d_В, — изоб­ражения линии, полученные после отражения. Точки М_А и М _В находятся на краях изображений линии d_A и d_B, по которым опре­деляется высота профиля. Для шероховатой поверхности точки М_А и М_В находятся соответственно на линии выступов и линии впадин наблюдаемого профиля, а расстояние L₀ отсчитывается от средней линии профиля.

Обозначим расстояние точек М_А и М_В до оптической оси СН через h ₁ и h₂ соответственно, а расстояние этих точек до предмет­ной плоскости P₁ через b₁ и b₂. На рис. 1.3 все обозначения от­резков даны с учетом правила знаков, принятого в геометрической оптике. При дальнейших расчетах положительное значение α отсчитывается против часовой стрелки от нормали к по­верхностям, а положительное значение β — по часовой стрелке.

Из рис. 1.3 видно, что расстояние h между точками М_А и М_В, наблюдаемое в микроскоп, или на светочувствительном элементе

h=h₁—h₂ = 2H sinβ, (1.2)

а расстояние bмежду точками М_А и М_B вдоль оптической оси

b = b₁ —b₂ = 2Н cos β. (1.3)

Из формулы (1.2) следует, что масштаб В преобразования профиля, образованного отражением от шероховатой поверхности, равен 2 sin β и не зависит от угла проекции α. Масштаб преобра­зования растет с увеличением угла наблюдения β, а расстояние b, определяемое по формуле (1.3), вдоль оптической оси СН между точками профиля на линии вершин и линии впадин уменьшается. Это значит, что при одних и тех же оптических характеристиках СО и СН сувеличением угла β растет чувствительность метода и верхний предел измерения. Значение угла α не влияет на масштаб преобразования про­филя, образованного отражением от шероховатой поверхности.

Определим масштаб преобразования профиля и его положение в пространстве предметов СН для поверхностей, рассеивающих свет. На рис. 1.4 показана ступенька высотой Н, образованная рассеивающими поверхностями А и В. Точки М_А и М_B находятся на крае промежуточного изображения линии, спроектированной на эти поверхности. Для отрезков, определяющих положение точек М_А и М_B, приняты те же обозначения, что и на рис. 1.3.

Из рис. 1.4 видно, что в этом случае

h = h₁ — h₂ = H sin (α + β)/cos α; (1.4)

 

b = b₁ —b₂ = H cos (α + β)/cosα. (1.5)

 

Сравнив формулы для h и b при различных способах преобразования профиля видим, что для профиля, обра­зованного проекцией промежуточного изображения линии, мас­штаб преобразования зависит от угла проекции α и от угла между оптическими осями СН и СО, равного α + β. При постоянном значении угла наблюдения β, масштаб преобразования увеличи­вается с увеличением угла проекции α.

Таким образом, при применении метода светового сечения, если конструкция прибора такова, что сумма углов α + β не равняется в сумме 90°, необходимо учитывать масштаб преобразования профиля в соответствиями с формулами (1.2) для зеркальных поверхностей и для рассеивающих поверхностей (1.4). Однако, учитывая специфику формы объекта контроля в некоторых случаях, где для расчета параметров используется координаты точек с различных поверхностей, необходима коррекция координат точек в отдельности. Наряду с этим, при расчете дифференциальных параметров (расстояния между точками на различных поверхностях) при совпадении параметров шероховатостей поверхностей, по которым они рассчитываются, коррекция не требуется. В этом случае происходит компенсация поправок на масштаб преобразования профиля.

 

5.2 Указания по выполнению лабораторного задания

 

5.2.1 Угол к вертикали, под которым лазерный пучок падает на объект, следует выставлять в зависимости от номера бригады по следующей таблице:

№ Бригады
Угол падения лазерного излучения	30º	40º	50º	60º
Угол наблюдения камеры	135º	135º	135º	135º

Приведенные значения углов возможно выставить приблизительно, с точностью ±5º.

5.2.2 Фотокамера должна работать в режиме управления от компьютера. Для этого следует запустить программу remote capture. При экспонировании камеры следует выбрать значение экспозиции и диафрагмы исходя из следующих соображений:

· Пересветка матрицы (когда пиксели матрицы перенасыщаются зарядами и характеристика свет-заряд матрицы становится нелинейной и искаженной) должна быть исключена,

· Отражения от других источников света – ламп, солнечный свет должны быть незаметны на изображении,

· Контраст линии, реализующей световое сечение на фоне паразитных засветок должен быть максимален.

5.2.3 При измерении высоты объектов по изображению можно использовать первую – самую большую концевую меру как калибр. Измерив изображение этой меры и сопоставив его с известной высотой меры можно получить цену деления пикселя в метрических единицах. При работе с последующими изображениями таким образом можно перейти от пикселей к метрическим единицам (это справедливо при неизменности положения осветителя, камеры и увеличения камеры).

 

5.2.4 Для измерения геометрических параметров образца с пазом линию лазерного осветителя следует сориентировать таким образом, чтобы лазерная полоса была перпендикулярна продольному направлению образца. Для калибровки можно воспользоваться самой большой концевой мерой. При неизменном угле наплавления освещения и наблюдения камерой калибровку можно провести по полученному ранее изображению концевой меры.

 

5.2.5 В отчете следует привести полученные изображения и результаты измерений высоты и геометрических параметров паза.

 

6. Контрольные вопросы

 

1. Какими оптическими величинами может описываться оптическое излучение в видимом диапазоне?

2. В чем заключается метод измерения геометрических параметров светового сечения?

3. Какие другие методы измерения формы объектов вы знаете?

4. В чем преимущества и недостатки метода светового сечения по сравнению с другими методами.

5. Какие параметры объекта можно измерить, применяя метод светового сечения.

 

Литература

 

1. Кучин А. А., Обрадович К. А. Оптические приборы для измерения шероховатости поверхности. – Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1981. – 197 с.

2. Неразрушающий контроль: Справочнк: в 8 т. / Под общ. ред. В.В. Клюева. Том 6. Оптический контроль. Кеткович А.А., В.Н. Филинов, М.В. Филинов – 2-е изд.- М.: Машиностроение, 2004. – 832с.

3. Ермолов И.Н., Останин Ю.Я. Методы и средства неразрушающего контроля качества: Учеб. пособие для инженерно-техн. спец. вузов. – М.:Высш. шк., 1988 – 368с.

 

 

Лабораторная работа № 2

 

12345Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: