Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Оптические приборы и системы

Диссертационная работа:

Краснящих Андрей Владимирович. Разработка и исследование оптико-электронной системы измерения деформации крупногабаритных инженерных сооружений : Дис. ... канд. техн. наук : 05.11.07 : Санкт-Петербург, 2004 181 c. РГБ ОД, 61:04-5/4194

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ ..4

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ И СПОСОБЫ КОНТРОЛЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ

КОНСТРУКЦИЙ и

1.1 .Классификация оптико-электронных систем для контроля смещений 11

1.2.Схемы, использующие коллимированный лазерный луч 14

1.3.Теодолиты, алиниометры 20

1.4.Оптико-электронные приборы с ОРСЗ 23

1.5.Оптико-электронные приборы с ПЗС .„.26

1.6.0птико-электронные системы, реализующие метод створных измерений.29

1.7.Постановка задачи исследования 37

ГЛАВА 2. ПОСТРОЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ДЕФОРМАЦИИ КРУПНОГАБАРИТНЫХ

ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ 39

2Л .Принципы построения распределенной оптико-электронной системы 39

2.2.Принципы построения измерительных каналов РОЭС , 41

  1. Принципы аппаратной реализации измерительного канала... 44

  2. Принципы программой реализации измерительного канала .48

  3. Принципы программно-аппаратнной реализации измерительного канала 49

  4. Принципы организации взаимодействия телевизионных датчиков с вычислительным устройством при программном и програмнно-аппаратном методе реализации ....51

2.3.Способы построения оптической части ИК 56

2.4.Принципы построения канала связи ...62

  1. Беспроводные каналы связи .....65

  2. Кабельные каналы связи 68

2.5.Описание РОЭС на базе персональных электронно-вычислительных
машин .....71

2.6.0собенности РОЭС на базе ПЭВМ и ОЭВМ 75

2.7.Заключение 76

ГЛАВА 3. МЕТОДИКИ ОБРАБОТКИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ..77

  1. Методы устранения шумов с помощью числовой обработки. 77

  2. Методы определения координат точечного объекта 86

  3. Методика восстановления координат 90

  4. Заключение ....98

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ КАНАЛОВ
РОЭС НА БАЗЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ 99

4.1.Описание макетов измерительных каналов распределенной оптико-
электронной системы контроля деформации крупногабаритных инженерных
сооружений... „..„..„,.. .....99

  1. Устройство блоков предварительной обработки информации ..........101

  2. Описание работы блока управления источниками излучения 106

  3. Алгоритмы программных средств 108

4.1.3.1.Алгоритм программы управления блока предварительной

обработки информации ....109

4.1.3.2.Описание программы блока управления источниками излучения.. 114 4.2.Исследование макета оптико-электронной системы контроля деформации

крупногабаритных инженерных сооружений 123

4.3.Заключение 137

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 138

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .........139

ПРИЛОЖЕНИЯ 155

Введение к работе:

Одним из направлений развития научно-технического прогресса, является автоматизация работ с применением современных средств измерений. Это позволяет обеспечить повышение производительности оборудования, снизить затраты труда на подготовительные операции, сэкономить ресурсы, повысить объективность контроля и сократить ручной труд.

При разработке и эксплуатации крупногабаритных объектов, таких, как плавающие доки, суда, летательные аппараты, мосты, плотины и другие промышленные сооружения, возникает проблема контроля их деформации с целью обеспечения безопасности выполняемых работ. Деформация перечисленных объектов имеет, как правило, характер прогиба, величину которого необходимо регулярно контролировать, особенно в периоды максимальных нагрузок.

Особое место занимают операции пространственного позиционирования относительно протяженной базы в машиностроении, при управлении исполнительными органами машин при производстве земляных работ, строительной планировки поверхности, при инженерно-геодезических измерениях, а также измерениях прогибов крупногабаритных конструкций, например, плавающих платформ, доков и судов.

При производстве строительных работ широко применяются оптико-электронные системы контроля смещений (ОЭСКС), позволяющие контролировать положение рабочих органов строительных и землеройных машин относительно некоторой базовой плоскости. В мелиоративных работах такие системы используются для планировки земляных участков, которые готовятся под сплошной залив водой (рисовые чеки и т.п.). В строительстве эти системы необходимы при укладке асфальтовых или бетонных площадок, монтаже междуэтажных перекрытий, для контроля положения скользящих опалубок при возведении монолитных; объектов, при строительстве дорог, насыпей, каналов и т.д. В настоящее жмя при производстве строительных,

дорожных и мелиоративных работ, связанных с планировкой площадок, требования к погрешности планировки относительно задаваемой плоскости составляют 3...5 см при расстояниях до 300 м.

Анализ показал, что наиболее часто требуется контролировать прогиб конструкций длиной до 300 м. При этом диапазон измеряемых деформаций лежит в пределах ±200 мм, а погрешность измерения прогиба должна составлять от 1 до 10 мм. Контроль обычно осуществляется в достаточно жестких условиях эксплуатации, характеризуемых изменением температуры окружающей среды от -40 С до +50 С, воздействием осадков, влажности, электромагнитных помех промышленного происхождения, наличием оптических помех (солнечное излучение, искусственное освещение, вспышки электросварки и т.п.).

В указанных условиях эксплуатации и областях применения ОЭСКС на первое место выдвигаются, кроме обеспечения необходимой погрешности измерений, требования широкого диапазона измерений и малой энергоемкости систем. Выполнение этих требований можно обеспечить лишь соответствующим выбором физических принципов построения измерительных систем, методов и алгоритмов обработки сигналов, а также технических решений при разработке и производстве ОЭСКС.

Решение задачи автоматизированного контроля положения объектов представляется на основе системы точечных объектов, жестко связанных с исследуемым объектом. Деформация объекта вызывает их смещение. Картина, создаваемая точечными объектами, регистрируется оптико-электронными датчиками с матричным фотоэлектрическим преобразователем на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС) и анализируется с привлечением числовой обработки на ЭВМ. При этом предварительная обработка измерительной информации осуществляется в непосредственной близости от приемника оптического излучения, что позволяет увеличить помехозащищенность системы в целом и исключить избыточность информации.

Целью работы является разработка принципов построения распределенных оптико-электронных систем измерения деформации крупногабаритных инженерных сооружений, а также разработка и практическая реализация указанной системы и исследование ее свойств.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи.

  1. Анализ и классификация существующих методов контроля пространственного положения объектов.

  2. Разработка принципов построения распределенной оптико-электронной измерительной системы (РОЭИС) с приемниками оптического излучения на основе матричных ПЗС структур, обеспечивающей многоточечный непрерывный контроль деформации наблюдаемого объекта.

  3. Разработка методики быстрого поиска изображения точечного объекта в картине регистрируемой приемником оптического излучения на базе ПЗС.

  4. Разработка методики определения соответствия между линейными смещениями контрольного элемента, жестко закрепленного на контролируемом объекте, и регистрируемыми информативными величинами.

  5. Создание экспериментального макета измерительного канала (ИК) РОЭИС сопрягаемого с ПЭВМ.

  6. Разработка алгоритма управления процессом сбора, обработки и хранения измерительной информации.

  7. Проведение экспериментальных исследований макетов измерительных каналов РОЭИС.

Структурно работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и четырех приложений.

В первой главе проведен аналитический обзор и классификация известных методов и средств определения пространственного положения объектов. Выводы, сформулированные в данной главе, определяют цели и задачи работы и подтверждают её актуальность.

Во второй главе рассмотрены принципы построения распределенных оптико-электронных систем (РОЭС).

Для решения задач контроля деформации крупногабаритных инженерных сооружений, необходимо реализовать распределенную оптико-электронную систему, обеспечивающую многоточечный непрерывный контроль, что позволит получать более полную информацию о состоянии объекта. Рассмотрены принципы построения распределенных оптико-электронных систем. Рассмотрены схемы построения распределенных оптико-электронных систем. Сформулированы основные требования, предъявляемые к блокам входящим в состав РОЭС, выделены основные функции, выполняемые блоками системы. Приведены основные требования к программному обеспечению измерительных каналов и центрального управляющего прибора.

В третьей главе рассматриваются методы извлечения координат изображений точечных объектов из измерительной картины, при этом предполагается, что в качестве приемника оптического излучения используется матричный приемник оптического излучения на основе ПЗС структур, сигнал с которого оцифровывается с помощью аналого-цифрового преобразователя, полученная при этом измерительная картина обрабатывается программым или программно-аппаратным образом. Показано, что контрольный элемент должен состоять из пары управляемых точечных объектов, это необходимо для снижения погрешности и автоматизации процесса измерений. Приводится алгоритм пересчета координат контрольного объекта из приборной системы координат, в систему связанную с объектом.

В четвертой главе рассматриваются принцип действия и устройство двух вариантов реализации блоков предварительной обработки измерительной информации с использованием микроконтроллеров, блока управления источниками излучения, рассматриваются две схемы исполнения оптической части измерительного канала, а также приводится описание измерительного стенда и полученные экспериментальные результаты.

Краткая формулировка научной новизны работы.

В диссертации разработаны принципы построения распределенной оптико-электронной измерительной системы с приемниками оптического

излучения на основе матричных ПЗС структур, обеспечивающих автоматизированный многоточечный непрерывный контроль параметров наблюдаемого объекта.

Основные результаты, выносимые на защиту.

  1. Принципы построения РОЭИС, на основе блочно-модульного способа построения, с обработкой измерительной информации в непосредственной близости к приемнику оптического излучения, обеспечивающей автоматизированный многоточечный непрерывный контроль параметров наблюдаемого объекта.

  2. Методика быстрого поиска изображения точечного объекта в картине регистрируемой приемником оптического излучения на базе ПЗС, заключающаяся в исключении из процедуры поиска избыточных элементов разложения на основании предложенного критерия, что позволяет существенно снизить время обработки зарегистрированной измерительной картины.

3. . Алгоритм программной склейки четного и нечетного полукадров, позволяющий упростить схему блока предварительной обработки информации (БПОИ) и повысить точность измерений.

  1. Методика определения соответствия между линейными смещениями контрольного элемента, жестко закрепленного на контролируемом объекте, и регистрируемыми информативными величинами, позволяющая отказаться от измерения дистанции при регистрации смещений, и за счет этого снизить погрешность и автоматизировать процесс измерений.

  2. Алгоритм управления процессом сбора измерительной информации в РОЭИС, позволяющий проводить одновременный захват и обработку измерительной информации в измерительных каналах, что позволяет уменьшить время, необходимое для получения результата измерения.

Практические результаты работы

1. Представленные в работе исследования позволили сформировать основные принципы построения РОЭИС для контроля деформации протяженных крупногабаритных объектов сложной формы.

  1. Разработан и изготовлен экспериментальный образец оптико-электронного измерительного преобразователя коллимационного типа с управляемыми источниками оптического излучения, позволяющий проводить высокоточные измерения в широком диапазоне смещений, не требующий трудоемких наладочных операций при подготовке к работе.

  2. Разработан и изготовлен действующий макет измерительного канала РОЭИС, осуществляющий цифровую обработку измерительной информации в приборной системе координат на основе алгоритма энергетического взвешивания.

  3. Для макета ИК разработан и реализован на ПЭВМ рабочий алгоритм определения параметров деформации контролируемого объекта.

  4. Разработан алгоритм управления центральным блоком системы контроля деформаций крупногабаритных сооружений для двух управляемых источников оптического излучения, позволивший исключить вычисление дистанции из процесса определения смещения контрольного элемента.

Реализация результатов работы отражена пятью актами внедрения экспериментального образца оптико-электронной системы контроля соосности элементов СКПУД-1, разработанных методик и алгоритмов работы измерительных каналов РОЭС. Результаты диссертационной работы использованы в лекционном курсе дисциплины «Измерительные оптико-электронные приборы и системы», а так же при создании лабораторной установки по указанной дисциплине, которая введена в реальную эксплуатацию.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

  1. XXXI научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава СПбГИТМО (ТУ), 5-7 февраля 2002 года.

  2. V международная конференция «Прикладная оптика» 15-17 октября 2002 г. Санкт-Петербург.

  1. X Международная конференция ЛАЗЕРЫ ДЛЯ МЕДИЦИНЫ БИОЛОГИИ И ЭКОЛОГИИ Санкт-Петербург 27-28 ноября 2002 года.

  2. III Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика - 2003», Санкт-Петербург 2003г.

  3. XXXII научная и учебно-методическая конференция СПбГИТМО(ТУ), посвященная 300-летию Санкт-Петербурга, Санкт-Петербург, Россия, 4-7 февраля 2003 года.

  4. XXXII научная и учебно-методическая конференция СПбГУ ИТМО, Санкт-Петербург, Россия, 3-6 февраля 2004 года.

По теме диссертации опубликованы 6 печатных работ.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 140 наименований и 4 приложений. Общий объем работы составляет 139 страниц, включая 69 рисунков и 4 таблицы.

Работа выполнена на кафедре оптико-электронных приборов и систем «Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий механики и оптики».

Подобные работы
Ворона Алексей Михайлович
Исследование и разработка оптико-электронных автоколлимационных систем измерения деформаций элементов конструкции полноповоротного радиотелескопа
Животовский Илья Вадимович
Разработка и исследование лазерно-электронной системы измерения энергетических световозвращательных характеристик оптико-электронных приборов
Бузян Артем Тимофеевич
Исследование оптико-электронных систем измерения деформаций элементов конструкции полноповоротного радиотелескопа
Белоконев Виктор Михайлович
Исследование и разработка оптико-электронных систем на базе многоэлементных фотоприемников для определения координат источников световых вспышек малой интенсивности
Чжан Хань
Исследование оптико-электронных систем измерения параметров пространственной ориентации перемещаемых объектов
Чертов Александр Николаевич
Исследование и разработка оптико-электронных модулей рентгенолюминесцентных сепараторов алмазосодержащего сырья
Син Сянмин
Исследование и разработка трехкоординатных оптико-электронных автоколлиматоров
Москалевич Владимир Игоревич
Разработка оптико-электронного комплекса для исследования колебаний шероховатой поверхности
Михеев Сергей Васильевич
Исследование оптико-электронной системы контроля положения объекта методом триангуляции
Горбачёв Алексей Александрович
Исследование особенностей построения оптико-электронной системы контроля деформаций плавающего дока

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net