RU123935U1

RU123935U1 - DEVICE FOR CONTACTLESS MEASUREMENTS OF DISTRIBUTED SURFACE TANKS OF SURFACE

Info

Publication number: RU123935U1
Application number: RU2012129695/28U
Authority: RU
Inventors: Владимир Петрович Кулеш
Priority date: 2012-07-13
Filing date: 2012-07-13
Publication date: 2013-01-10

Abstract

Устройство для бесконтактных измерений распределенных касательных деформаций поверхности, включающее цифровую камеру с приемным объективом, направленную своей оптической осью на исследуемую поверхность, осветитель и программно-аппаратную систему численной обработки изображений, вход которой соединен с выходом цифровой камеры, отличающееся тем, что в него дополнительно введен коллимирующий объектив, установленный на оптической оси приемного объектива своей главной плоскостью на расстоянии, равном фокусному расстоянию, от главной плоскости приемного объектива цифровой камеры, кроме того, в него дополнительно введен механический узел, содержащий по меньшей мере три опоры, опирающиеся на исследуемую поверхность в точках, не лежащих на одной прямой, при этом по меньшей мере одна опора жестко связана с основанием устройства, а две другие обладают высокой жесткостью в направлении оптической оси и имеют малые свободные перемещения в направлении на опору, жесткосвязанную с основанием устройства, при этом цифровая камера с приемным объективом, коллимирующий объектив и механический узел как целое вывешены в поле силы тяжести.A device for non-contact measurements of distributed tangential deformations of a surface, including a digital camera with a receiving lens directed by its optical axis to the surface to be studied, a illuminator and a software and hardware system for numerical image processing, the input of which is connected to the output of a digital camera, characterized in that it is additionally introduced a collimating lens mounted on the optical axis of the receiving lens with its main plane at a distance equal to the focal length from the main of the receiving lens of the digital camera, in addition, a mechanical assembly is additionally introduced into it, containing at least three supports resting on the surface under study at points not lying on one straight line, at least one support being rigidly connected to the base of the device, and the other two have high rigidity in the direction of the optical axis and have small free movements in the direction of the support, rigidly connected to the base of the device, while a digital camera with a receiving lens, collimating lens and anichesky assembly as a whole is hung in the gravity field.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к оптическим средствам бесконтактных измерений распределенных касательных деформаций поверхности при испытаниях образцов и элементов конструкций на прочность.The utility model relates to measuring equipment, in particular, to optical means of non-contact measurements of distributed tangential deformations of a surface during testing of samples and structural elements for strength.

Известны тензометрические системы для измерений касательных деформаций локального участка поверхности, содержащие чувствительный элемент - тензорезистор, - и электронную аппаратуру, измеряющую малые изменения сопротивления (см., например, Д.Дэлли, У.Райли. «Тензодатчики». - В сб. «Экспериментальная механика» под редакцией Б.Н.Ушакова. - М.: «Мир», 1990, С.). Тензорезистор наклеивается на исследуемый участок поверхности и при испытаниях деформируется в соответствии с деформацией поверхности, и изменения сопротивления регистрируются с помощью электронной аппаратуры. Недостатком этого устройства являются значительные размеры тензорезистора, составляющие по длине от 5 до 20 мм. Поэтому для измерений распределенных деформаций, когда необходимы одновременные измерения в большом числе точек поверхности, применение данного устройства затруднительно.Known tensometric systems for measuring tangential deformations of a local surface area containing a sensitive element — a strain gauge — and electronic equipment that measure small changes in resistance (see, for example, D. Dalley, W. Riley. “Strain Sensors.” - In: “Experimental mechanics "edited by B.N. Ushakov. - M.:" Mir ", 1990, S.). The strain gauge is glued to the studied surface area and during testing it is deformed in accordance with the surface deformation, and resistance changes are recorded using electronic equipment. The disadvantage of this device is the significant size of the strain gauge, comprising in length from 5 to 20 mm. Therefore, for measurements of distributed deformations, when simultaneous measurements are needed in a large number of surface points, the use of this device is difficult.

Известны оптические устройства, предназначенные для бесконтактных измерений распределенных касательных деформаций поверхности, и служащие прототипом предлагаемому устройству, содержащие цифровую камеру с приемным объективом, направленную своей оптической осью на исследуемую поверхность, осветитель и программно-аппаратную систему сбора и численной обработки изображений, вход которой соединен с выходом цифровой камеры (см., например, «Системы анализа деформированного состояния Vic3D». Проспект фирмы Новатест. http://www.novatest.ru). Эти устройства предназначены для последовательной регистрации серии цифровых изображений мелкомасштабной структуры, нанесенной на исследуемую поверхность, и анализа относительного смещения локальных участков этой структуры на выбранной паре зарегистрированных изображений, по которому находят величину деформации на этом локальном участке.Known optical devices designed for non-contact measurements of distributed tangential deformations of the surface, and serving as a prototype of the proposed device, containing a digital camera with a receiving lens directed by its optical axis to the surface to be studied, a illuminator and a hardware-software system for collecting and numerically processing images, the input of which is connected to digital camera output (see, for example, “Vic3D Deformed State Analysis Systems”. Novatest company prospectus. http://www.novatest.ru). These devices are designed for sequential registration of a series of digital images of a small-scale structure deposited on the surface under study, and analysis of the relative displacement of local sections of this structure on a selected pair of registered images, which determine the strain value in this local area.

Недостатком таких устройств является чувствительность к перемещениям исследуемой поверхности как целого. В промышленных испытаниях объект под действием задаваемых нагрузок не только деформируется, но и смещается как целое. Причем это смещение, как правило, многократно превосходит относительные смещения за счет деформации. Это приводит к затруднению анализа относительного смещения локальных участков вплоть до полной потери корреляции мелкомасштабной структуры двух изображений, а, следовательно, к значительной погрешности в определении величины деформации.The disadvantage of such devices is the sensitivity to movement of the investigated surface as a whole. In industrial tests, an object under the influence of specified loads is not only deformed, but also displaced as a whole. Moreover, this displacement, as a rule, many times exceeds the relative displacement due to deformation. This leads to a difficulty in analyzing the relative displacement of local sections up to a complete loss of correlation of the small-scale structure of two images, and, consequently, to a significant error in determining the magnitude of the deformation.

Задачей и техническим результатом полезной модели является разработка устройства для бесконтактных измерений распределенных касательных деформаций поверхности, повышение точности и надежности измерений распределенных касательных деформаций поверхности за счет уменьшения влияния поступательных и угловых смещений исследуемой поверхности как целого.The objective and technical result of the utility model is to develop a device for non-contact measurements of distributed tangential surface deformations, to increase the accuracy and reliability of measurements of distributed tangential surface deformations by reducing the influence of translational and angular displacements of the studied surface as a whole.

Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что в известное устройство, включающее цифровую камеру с приемным объективом, направленную своей оптической осью на исследуемую поверхность, осветитель и программно-аппаратную систему сбора и численной обработки изображений, вход которой соединен с выходом цифровой камеры, дополнительно введен коллимирующий объектив, установленный своей оптической осью на оптической оси приемного объектива и своей главной плоскостью на расстоянии, равном своему фокусному расстоянию, от главной плоскости приемного объектива цифровой камеры, кроме того, в него дополнительно введен механический узел, содержащий по меньшей мере три опоры, опирающиеся на исследуемую поверхность в точках, не лежащих на одной прямой, при этом по меньшей мере одна опора жестко связана с основанием устройства, а две другие обладают высокой жесткостью в направлении оптической оси и имеют малые свободные перемещения в направлении на опору, жестко связанную с основанием устройства, при этом цифровая камера с приемным объективом, коллимирующий объектив, и механический узел как целое вывешены в поле силы тяжести.The solution of the problem and the technical result are achieved by the fact that in the known device, including a digital camera with a receiving lens, directed with its optical axis to the surface to be studied, a illuminator and a hardware-software system for collecting and numerically processing images, the input of which is connected to the output of the digital camera, is additionally introduced a collimating lens mounted with its optical axis on the optical axis of the receiving lens and its main plane at a distance equal to its focal length july, from the main plane of the receiving lens of the digital camera, in addition, a mechanical assembly is additionally introduced into it, containing at least three supports resting on the surface under study at points not lying on one straight line, while at least one support is rigidly connected to the base of the device, and the other two have high rigidity in the direction of the optical axis and have small free movements in the direction of the support, rigidly connected with the base of the device, while the digital camera with a receiving lens, collimating th lens, and mechanical assembly as a whole posted in the gravity field.

На фиг.1 изображена структурная схема предлагаемого устройства для бесконтактных измерений распределенных касательных деформаций поверхности.Figure 1 shows the structural diagram of the proposed device for non-contact measurements of distributed tangential deformations of the surface.

На фиг.2 изображена конструктивная схема оптической головки предлагаемого устройства.Figure 2 shows a structural diagram of the optical head of the proposed device.

На фиг.3 приведена фотография предлагаемого устройства при испытаниях образца конструкционного материала на испытательной машине.Figure 3 shows a photograph of the proposed device when testing a sample of structural material on a testing machine.

На фиг.4 приведен пример полей деформации образца из алюминиевого сплава с отверстием в середине, полученных с помощью предлагаемого устройства.Figure 4 shows an example of deformation fields of a sample of aluminum alloy with a hole in the middle, obtained using the proposed device.

Работа устройства поясняется схемой на фиг.1, на которой показаны установленные на одной оптической оси цифровая камера 1 с приемным объективом 2 и коллимирующий объектив 3 так, что расстояние от главной плоскости приемного объектива цифровой камеры до главной плоскости коллимирующего объектива равно фокусному расстоянию коллимирующего объектива. Оптическая ось направлена на исследуемую поверхность исследуемого образца 12, на которой имеется мелкомасштабная структура, возникшая при обработке поверхности при изготовлении или специально искусственно нанесенная. Поверхность подсвечивают с помощью осветителя 15 и изображение мелкомасштабной структуры регистрируют с помощью программно-аппаратной системы сбора и численной обработки изображений 14, вход которой соединен с выходом цифровой камеры, в виде изображения зернистого поля, в котором неоднородности (максимумы и минимумы) освещенности однозначно связаны с точками поверхности исследуемого образца. При нагружении образца 12 силой растяжения или сжатия неоднородности освещенности смещаются в соответствии с перемещением и деформацией образца. Сравнивая два изображения образца в условно недеформированном и деформированном (нагруженном) состоянии численными методами кросскорреляционного анализа, определяют смещения точек по всей поверхности образца, из которых находят поле распределенной деформации. Однако в схеме аналога, выбранного в качестве прототипа, найденные смещения точек включают не только перемещения деформации, но также смещения образца как целого и влияния перспективных искажений приемного объектива 2, сопутствующих процессу построения изображения, что приводит к высокой погрешности измерений.The operation of the device is illustrated by the diagram in figure 1, which shows a digital camera 1 mounted on a single optical axis with a receiving lens 2 and a collimating lens 3 so that the distance from the main plane of the receiving lens of the digital camera to the main plane of the collimating lens is equal to the focal length of the collimating lens. The optical axis is directed to the test surface of the test sample 12, on which there is a small-scale structure that arose during surface treatment during manufacture or specially artificially applied. The surface is illuminated using a illuminator 15 and the image of a small-scale structure is recorded using a hardware-software system for collecting and numerically processing images 14, the input of which is connected to the output of a digital camera, in the form of an image of a granular field in which inhomogeneities (maxima and minima) of illumination are uniquely associated with points of the surface of the test sample. When loading the sample 12 with tensile or compressive forces, the irregularities of illumination shift in accordance with the movement and deformation of the sample. Comparing two images of the sample in a conditionally undeformed and deformed (loaded) state by numerical methods of cross-correlation analysis, the displacements of points along the entire surface of the sample are determined, from which the distributed strain field is found. However, in the circuit of the analogue selected as a prototype, the found displacements of the points include not only the displacement of the deformation, but also the displacement of the sample as a whole and the influence of the perspective distortions of the receiving lens 2 accompanying the image construction process, which leads to a high measurement error.

В предложенной полезной модели коллимирующий объектив 3, установленный на оптической оси приемного объектива своей главной плоскостью на расстоянии, равном своему фокусному расстоянию, от главной плоскости приемного объектива 2 цифровой камеры, многократно, в десятки или даже сотни раз уменьшает влияние перспективных искажений при поступательных смещениях образца вдоль оптической оси.In the proposed utility model, a collimating lens 3 mounted on the optical axis of the receiving lens with its main plane at a distance equal to its focal length from the main plane of the receiving lens 2 of the digital camera reduces the effect of perspective distortions upon translational displacements of the sample many times, tens or even hundreds of times along the optical axis.

Для уменьшения влияния также угловых смещений образца как целого предложено конструктивно выполнить оптическую часть, включающую цифровую камеру 1 с приемным объективом 2 и коллимирующий объектив 3, в виде компактной оптической головки и обеспечить полужесткий контакт ее с образцом, при котором угловые и поступательные перемещения образца как целого передаются оптической системе и, тем самым, не проявляются на изображениях, а деформации растяжения и сжатия не передаются оптической системе и регистрируются ею. На фиг.2 показана конструктивная схема оптической головки, включающая цифровую камеру 1, приемный объектив 2 цифровой камеры, коллимирующий объектив 3, светозащитный тубус 4, монтажную балку 5 как основание, кронштейн 6 крепления камеры, кронштейн 7 крепления тубуса, а также механический узел, включающий упорную планку 8, обеспечивающую две опоры на образец, жестко связанные с монтажной балкой, и упругую балку 10 с прижимной планкой 9, обеспечивающие две полужесткие опоры на образец, винты фиксации 11 опор на образце 12 и петлю подвеса 13, установленную на монтажной балке напротив центра тяжести оптической головки. На схеме не показан осветитель, также входящий в состав оптической головки предлагаемого устройства. Полужесткий контакт обеспечивают конструктивные элементы 8-11. Для минимизации силового воздействия веса оптической системы на образец, предложено также вывешивать оптическую систему в поле силы тяжести, например, с помощью цилиндрической пружины на петле 13.To reduce the influence of the angular displacements of the sample as a whole, it is proposed to constructively perform the optical part, which includes a digital camera 1 with a receiving lens 2 and a collimating lens 3, in the form of a compact optical head and provide semi-rigid contact with the sample, in which the angular and translational movements of the sample as a whole are transmitted to the optical system and, thus, do not appear on the images, and tensile and compression strains are not transmitted to the optical system and are recorded by it. Figure 2 shows a structural diagram of an optical head, including a digital camera 1, a receiving lens 2 of a digital camera, a collimating lens 3, a light-shielding tube 4, a mounting beam 5 as a base, a camera mount bracket 6, a tube mount bracket 7, and a mechanical assembly, including a stop bar 8, providing two supports on the sample, rigidly connected with the mounting beam, and an elastic beam 10 with a clamping plate 9, providing two semi-rigid supports on the sample, screws for fixing 11 supports on the sample 12 and the suspension loop 13, is installed on the mounting beam opposite the center of gravity of the optical head. The diagram does not show the illuminator, also included in the optical head of the proposed device. Semi-rigid contact is provided by structural elements 8-11. To minimize the force effect of the weight of the optical system on the sample, it is also proposed to hang the optical system in the field of gravity, for example, using a coil spring on loop 13.

Возможность реализации подтверждена действующим макетом устройства, который прошел успешные испытания не только в лабораторных условиях, но и в условиях промышленных испытаний. Пример полей продольной Δx и поперечной Δy деформации, а также четырех компонентов

,

и

относительной деформации, полученных с помощью предлагаемого устройства при испытаниях образца из алюминиевого сплава с отверстием в середине, приведен на фиг.4.The feasibility of implementation is confirmed by the current model of the device, which has passed successful tests not only in laboratory conditions, but also in industrial tests. An example of the fields of longitudinal Δx and transverse Δy deformation, as well as four components

,

and

the relative deformation obtained using the proposed device when testing a sample of aluminum alloy with a hole in the middle, is shown in figure 4.

Разработано устройство для бесконтактных измерений распределенных касательных деформаций поверхности. Практическое применение полезной модели показало высокую помехозащищенность устройства, а, следовательно, повышение точности и надежности измерений распределенных касательных деформаций поверхности.A device has been developed for non-contact measurements of distributed tangential deformations of the surface. The practical application of the utility model showed a high noise immunity of the device, and, consequently, an increase in the accuracy and reliability of measurements of distributed tangential deformations of the surface.

Claims

A device for non-contact measurements of distributed tangential deformations of a surface, including a digital camera with a receiving lens directed by its optical axis to the surface to be studied, a illuminator and a software and hardware system for numerical image processing, the input of which is connected to the output of a digital camera, characterized in that it is additionally introduced a collimating lens mounted on the optical axis of the receiving lens with its main plane at a distance equal to the focal length from the main of the receiving lens of the digital camera, in addition, a mechanical assembly is additionally introduced into it, containing at least three supports resting on the surface under study at points not lying on one straight line, at least one support being rigidly connected to the base of the device, and the other two have high rigidity in the direction of the optical axis and have small free movements in the direction of the support, rigidly connected to the base of the device, while a digital camera with a receiving lens, collimating lens and anichesky assembly as a whole is hung in the gravity field.