RU2447410C2 - Apparatus for remote measurement of vibration parameters of object - Google Patents
Apparatus for remote measurement of vibration parameters of object Download PDFInfo
- Publication number
- RU2447410C2 RU2447410C2 RU2010121916/28A RU2010121916A RU2447410C2 RU 2447410 C2 RU2447410 C2 RU 2447410C2 RU 2010121916/28 A RU2010121916/28 A RU 2010121916/28A RU 2010121916 A RU2010121916 A RU 2010121916A RU 2447410 C2 RU2447410 C2 RU 2447410C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- photodetector
- radiation
- telescope
- optical axis
- vibration
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Telescopes (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к области виброметрии широкого класса объектов, включая биологические, и может быть использовано как для определения вибрационных параметров объектов, так и при проведении метрологических поверок, калибровок и испытаний датчиков вибрации.The present invention relates to the field of vibrometry of a wide class of objects, including biological, and can be used both to determine the vibration parameters of objects, and during metrological verification, calibration and testing of vibration sensors.
В настоящее время круг задач, решаемых с помощью виброметрии, достаточно широк - это контроль допустимых уровней вибрации различных объектов, вибродиагностика их состояния и т.д. Методы вибродиагностики подразделяются на контактные и бесконтактные. Контактные методы реализуются путем установки датчиков вибрации непосредственно на вибрирующем объекте (например, пьезоакселерометрических вибропреобразователей или волоконно-оптических сенсоров напряжения на основе решеток с большим периодом). Однако применение контактных методов может быть затруднено, если наложение датчиков вибрации вследствие их конечной массы искажает вибрационные параметры объекта, или объект труднодоступен: находится на большом расстоянии (по горизонтали или вертикали), в условиях высокой температуры, сильных электромагнитных полей, радиоактивного облучения и т.д. В таких случаях применяются бесконтактные (дистанционные) методы контроля вибрационных параметров.At present, the range of tasks solved by means of vibrometry is quite wide - it is the control of permissible vibration levels of various objects, the vibration diagnostics of their condition, etc. Methods of vibration diagnostics are divided into contact and non-contact. Contact methods are implemented by installing vibration sensors directly on a vibrating object (for example, piezo-accelerometric vibration transducers or fiber-optic voltage sensors based on gratings with a long period). However, the use of contact methods can be difficult if the application of vibration sensors due to their finite mass distorts the vibration parameters of the object, or the object is difficult to access: it is at a great distance (horizontally or vertically), in conditions of high temperature, strong electromagnetic fields, radiation, etc. d. In such cases, non-contact (remote) methods for controlling vibration parameters are used.
Известно устройство для дистанционного* измерения вибрационных** параметров объекта, основанное на продольном эффекте Доплера [И.Краснощеков, А.Самойлов, В.Типашов, Л.Морозов. Лазерный виброметр повышенной чувствительности. Электроника: Наука, Технология, Бизнес, №6, с.98-101. 2008]. Устройство включает: He-Ne лазер, луч которого делится на два пучка, один из которых является опорным, а другой используется для освещения объекта; телескопическую систему для освещения объекта и сбора диффузно отраженного объектом излучения лазера, которое затем смешивается с опорным пучком; фотоприемные элементы, преобразующие смешанное излучение в электрический сигнал; электронно-вычислительный блок для обработки и анализаA device is known for remote * measurement of vibration ** parameters of an object, based on the longitudinal Doppler effect [I. Krasnoshchekov, A. Samoilov, V. Typashov, L. Morozov. High-sensitivity laser vibrometer. Electronics: Science, Technology, Business, No. 6, p. 98-101. 2008]. The device includes: a He-Ne laser, the beam of which is divided into two beams, one of which is the reference, and the other is used to illuminate the object; a telescopic system for illuminating the object and collecting laser radiation diffusely reflected by the object, which is then mixed with the reference beam; photodetector elements that convert mixed radiation into an electrical signal; electronic computing unit for processing and analysis
* Под дистанционным мы понимаем бесконтактное дистанционное измерение.* By remote we mean non-contact remote measurement.
** Под вибрационными параметрами мы понимаем виброскорость, виброперемещение, виброускорение и производные от них величины.** By vibrational parameters we mean vibration velocity, vibration displacement, vibration acceleration and their derivatives.
электрического сигнала, снимаемого с фотоприемных элементов; дисплей для отображения измеренных вибрационных параметров объекта.an electrical signal recorded from photodetector elements; display for displaying the measured vibrational parameters of the object.
К основным недостаткам устройства, основанного на продольном эффекте Доплера, относятся: а) необходимость использования лазера с большой длиной когерентности; б) трудность работы с диффузно- рассеивающими объектами из-за формируемых на поверхности фотоприемников спекл-структур; в) сложность устройства прибора.The main disadvantages of the device based on the longitudinal Doppler effect include: a) the need to use a laser with a long coherence length; b) the difficulty of working with diffuse scattering objects due to speckle structures formed on the surface of photodetectors; c) the complexity of the device.
Известно устройство для дистанционного измерения скорости объекта в плоскости поверхности объекта, основанное на эффекте перемещения спекл-картины, формируемой при диффузном отражении лазерного излучения от движущейся поверхности объекта [P.Šmid, P.Horváth, P.Neumannová, M.Hrabovský. The use of speckle correlation for measurement of object velocity. Proc. of SPIE Vol.6341, 634131, 2006]. Устройство включает лазер, линзу, фокусирующую излучение лазера на объект по нормали к поверхности объекта, камеру с линейным сенсором, расположенную между камерой и объектом линзу, оптическая ось которой направлена под углом к нормали поверхности объекта. При освещении лазером диффузной поверхности объекта на поверхности ФПЗС-линейки камеры формируется спекл-картина. Камера регистрирует и передает в ЭВМ через равные промежутки времени кадры с изображениями формируемой спекл-картины. Перемещение спекл-картины за время между экспозициями двух последовательных кадров вычислялось методом корреляционного анализа этих кадров. Далее, зная период следования кадров и связь между перемещением спекл-картины и перемещением объекта, вычислялась скорость объекта в плоскости поверхности объекта. Основные недостатки устройства: а) малое расстояние до объекта; б) измерение смещения в плоскости объекта только в одном из двух независимых направлений; в) невозможность отличить перемещение спекл-картины, вызванное перемещением объекта в плоскости поверхности, и перемещение, вызванное вращением объекта относительно оси, лежащей в плоскости объекта и перпендикулярной направлению на камеру, что обусловлено тем, что сенсор камеры расположен вне плоскости изображения объекта.A device is known for remote measuring the speed of an object in the plane of the surface of an object, based on the effect of moving a speckle pattern formed by diffuse reflection of laser radiation from a moving surface of an object [P.Šmid, P. Horváth, P. Neumannová, M. Hrabovský. The use of speckle correlation for measurement of object velocity. Proc. of SPIE Vol.6341, 634131, 2006]. The device includes a laser, a lens focusing the laser radiation on the object normal to the surface of the object, a camera with a linear sensor, a lens located between the camera and the object, the optical axis of which is directed at an angle to the normal to the surface of the object. When a laser illuminates the diffuse surface of an object, a speckle pattern is formed on the surface of the FPGA array of the camera. The camera registers and transmits frames with images of the formed speckle pattern to the computer at regular intervals. The movement of the speckle pattern during the time between exposures of two consecutive frames was calculated by the method of correlation analysis of these frames. Further, knowing the period of the frames and the relationship between the movement of the speckle pattern and the movement of the object, the speed of the object in the plane of the surface of the object was calculated. The main disadvantages of the device: a) a small distance to the object; b) measurement of displacement in the plane of the object in only one of two independent directions; c) the inability to distinguish the movement of the speckle pattern caused by the movement of the object in the plane of the surface and the movement caused by the rotation of the object relative to the axis lying in the plane of the object and perpendicular to the direction to the camera, due to the fact that the camera sensor is located outside the image plane of the object.
Известно устройство для дистанционного измерения вибрационных параметров объекта, выбранное нами в качестве прототипа [Optischer Schwingungsmesser. W.Georgi. International Exhibition «Hannover Messe - 1998», 20-25 April 1998, Hannover], содержащее телескоп, в плоскости изображения объекта которого размещено фотоприемное устройство в виде ФПЗС-линейки приемников, электрически соединенное с электронно-вычислительным блоком записи, хранения, обработки и отображения информации.A device for remote measurement of the vibrational parameters of an object is known, which we have chosen as a prototype [Optischer Schwingungsmesser. W. Georgi. International Exhibition "Hannover Messe - 1998", April 20-25, 1998, Hannover], containing a telescope, in the image plane of the object of which there is a photodetector in the form of a FPSS-line of receivers, electrically connected to an electronic-computing unit for recording, storage, processing and display information.
Устройство работает следующим образом. Наводят телескоп на объект, освещенный естественным или искусственным некогерентным светом так, что на поверхности ФПЗС-линейки формируется изображение объекта. Осуществляют считывание и запись последовательных кадров изображений объекта через равные промежутки времени (время экспозиции кадра значительно меньше периода следования кадров). С использованием программы обработки корреляционным методом определяют перемещение Аи изображения объекта за время между экспозициями последовательных кадров. Далее, зная коэффициент М увеличения изображения объекта и период Т следования кадров, определяют среднюю скорость (виброскорость) V объекта в промежутке времени между экспозициями по формуле V=Аи/(МТ).The device operates as follows. A telescope is pointed at an object illuminated by natural or artificial incoherent light so that an image of the object is formed on the surface of the FPSS line. Read and write consecutive frames of images of the object at equal intervals of time (the exposure time of the frame is much less than the sequence of frames). Using the processing program by the correlation method, the movement A and the image of the object during the time between exposures of successive frames are determined. Further, knowing the coefficient M of the image enlargement of the object and the period T of the sequence of frames, determine the average speed (vibration velocity) V of the object in the time interval between exposures according to the formula V = A and / (MT).
Недостатками устройства являются: а) высокий порог чувствительности к виброперемещениям; б) существенное снижение точности или невозможность определения виброперемещения однородно освещенного низкоконтрастного объекта; в) необходимость внешних источников освещения.The disadvantages of the device are: a) a high threshold for sensitivity to vibration displacements; b) a significant decrease in accuracy or the inability to determine the vibration displacement of a uniformly lit low-contrast object; c) the need for external lighting sources.
Нами было показано, что при освещении диффузной поверхности объекта когерентным лазерным излучением формирование высококонтрастной мелкомасштабной спекл-картины именно в плоскости изображения объекта (спеклованного изображения объекта) позволяет существенно увеличить чувствительность, т.е. понизить пороговое значение определяемых виброперемещений (виброскоростей) и увеличить точность определения виброперемещения. Это, в совокупности с применением матричного фотоприемника, позволило определять компоненты вибрации по двум взаимно перпендикулярным осям за одно измерение и увеличить точность определения виброперемещения за счет получения и обработки существенно большего массива информации.We have shown that when illuminating the diffuse surface of an object with coherent laser radiation, the formation of a high-contrast small-scale speckle pattern precisely in the plane of the image of the object (speckled image of the object) can significantly increase the sensitivity, i.e. lower the threshold value of the determined vibration displacements (vibration velocities) and increase the accuracy of determining the vibration displacement. This, combined with the use of a matrix photodetector, made it possible to determine vibration components along two mutually perpendicular axes in one measurement and to increase the accuracy of determining vibration displacement due to the receipt and processing of a significantly larger array of information.
Нами заявлено высокочувствительное высокоточное устройство для дистанционного измерения вибрационных параметров, основанное на простой оптико-электронной схеме. Оно компактно и построено на базе серийных комплектующих.We have declared a highly sensitive high-precision device for remote measurement of vibration parameters, based on a simple optical-electronic circuit. It is compact and built on the basis of serial components.
Такой технический результат достигнут нами, когда устройство для дистанционного измерения вибрационных параметров объекта, преимущественно диффузно-рассеивающего, включающее телескоп с размещенным в его фокальной плоскости объекта цифровым фотоприемным устройством, соединенным с электронно-вычислительным блоком записи, хранения, обработки и отображения информации, установлено на виброизолированном основании и дополнительно содержит источник когерентного излучения, установленный так, что его излучение направлено в область пересечения оптической оси телескопа с поверхностью измеряемого объекта, и размещенный на оптической оси прибора до фотоприемного устройства светоделитель, на оптической оси которого размещен окуляр для визуального наведения на объект, при этом источник излучения снабжен формирователем размера пучка, фотоприемное устройство выполнено в виде информационно связанной с электронно-вычислительным блоком матрицы фотоприемных элементов с электронным затвором, обеспечивающим одновременное экспонирование всех фотоприемных элементов, формирующих кадр, а оптическая ось телескопа установлена перпендикулярно поверхности измеряемого объекта.We have achieved such a technical result when a device for remote measurement of the vibrational parameters of an object, mainly diffuse scattering, including a telescope with a digital photodetector placed in its focal plane of the object connected to an electronic computing unit for recording, storing, processing and displaying information, is installed on vibration-insulated base and additionally contains a source of coherent radiation, mounted so that its radiation is directed to the cross-section the optical axis of the telescope with the surface of the object being measured, and a beam splitter placed on the optical axis of the device to the photodetector, the optical axis of which has an eyepiece for visual aiming at the object, while the radiation source is equipped with a beam size shaper, the photodetector is made in the form of information associated with electronically - a computing unit of the matrix of photodetector elements with an electronic shutter, providing simultaneous exposure of all photodetector elements, forming their frame, and the optical axis of the telescope is set perpendicular to the surface of the measured object.
Оптическая ось когерентного источника излучения (лазера, лазерного излучателя) может быть установлена под заданным углом к нормали к плоскости поверхности объекта. Подходы к решению этой задачи известны.The optical axis of a coherent radiation source (laser, laser emitter) can be set at a given angle to the normal to the plane of the surface of the object. Approaches to solving this problem are known.
Светоделитель может быть выполнен, например, в виде светоделительного куба, полупрозрачного зеркала и т.д. Может быть предусмотрена возможность вывода светоделителя из оптического тракта.The beam splitter can be made, for example, in the form of a beam splitter cube, a translucent mirror, etc. It may be possible to output the beam splitter from the optical path.
Если необходимо выполнить измерение вибрационных параметров с повышенной точностью, излучение лазера направляют вдоль оптической оси телескопа (см. п.2 Формулы).If it is necessary to measure vibration parameters with increased accuracy, the laser radiation is directed along the optical axis of the telescope (see Section 2 of the Formula).
Для увеличения чувствительности и точности измерений (за счет уменьшения «смазывания» картины спекл-струкутр при уменьшении времени засветки фотоприемного устройства во время экспозиции) при одновременном уменьшении времени работы лазера, выбирают импульсный источник излучения (см. п.3 Формулы). В этом случае длительность импульса не превышает времени экспозиции фотоприемного устройства, а его работа синхронизирована с работой лазера.To increase the sensitivity and accuracy of measurements (by reducing the “blurring” of the speckle pattern with a decrease in the exposure time of the photodetector during exposure) while reducing the laser time, choose a pulsed radiation source (see Section 3 of the Formula). In this case, the pulse duration does not exceed the exposure time of the photodetector, and its operation is synchronized with the operation of the laser.
Если измерения проводят при дополнительном освещении поверхности объекта солнечным излучением, то для увеличения контраста спекл-структур на оптической оси прибора до матричной камеры дополнительно устанавливают фильтр, пропускающий излучение на длине волны лазера (см. п.4 Формулы).If the measurements are carried out with additional illumination of the surface of the object with solar radiation, then to increase the contrast of speckle structures on the optical axis of the device to the matrix camera, an additional filter is installed that transmits radiation at the laser wavelength (see Section 4 of the Formula).
Для увеличения контраста спекл-структур выбирают источник когерентного излучения с линейной поляризацией излучения (см. п.5 Формулы).To increase the contrast of speckle structures, choose a source of coherent radiation with a linear polarization of radiation (see paragraph 5 of the Formula).
Для увеличения контраста спеклованного изображения объекта (например, поверхность удаленного объекта анизотропна) когерентный источник излучения выполняют с возможностью управления направлением поляризации линейно-поляризованного излучения (см. п.6 Формулы).To increase the contrast of the speckled image of an object (for example, the surface of a distant object is anisotropic), a coherent radiation source is configured to control the direction of polarization of linearly polarized radiation (see Section 6 of the Formula).
На фиг.1 представлена оптическая схема заявленного устройства, где: лазер 1, объектив 2 лазера, зеркало 3, объектив 4 телескопа, окуляр 5 телескопа, полосовой фильтр 6, светоделитель 7, цифровая фотокамера 8, окуляр 9 для визуального наведения, электронно-вычислительный блок 10, виброизолированное основание 11 и окулярный узел 12 телескопа;Figure 1 presents the optical diagram of the claimed device, where: laser 1, lens 2 of the laser, mirror 3, lens 4 of the telescope, eyepiece 5 of the telescope, band-pass filter 6, beam splitter 7, digital camera 8, eyepiece 9 for visual guidance,
стрелка ↕ - введение или выведение оптического элемента в (из) оптический(ого) тракт(а);arrow ↕ - insertion or removal of an optical element into (out of) an optical path (a);
На фиг.2 представлена фотография прибора «Спекл-виброметр дистанционный лазерный», выполненный по заявленному изобретению, где показан оптико-электронный блок 13 (все позиции фиг.1 за исключением поз.10), азимутальная монтировка 14, виброгасящие подпятники 15, соединительный кабель 16, электронно-вычислительный блок 10 и тренога 17.Figure 2 presents a photograph of the device "Speckle remote vibration laser", made according to the claimed invention, which shows the optoelectronic unit 13 (all positions of figure 1 except for position 10),
На фиг.3 представлены полученные в одном измерении зависимости амплитуды V виброскорости в вертикальном направлении (фиг.3а) и горизонтальном направлении (фиг.3б) от частоты ν.Figure 3 presents the obtained in one measurement, the dependence of the amplitude V of the vibration velocity in the vertical direction (Fig.3A) and the horizontal direction (Fig.3b) on the frequency ν.
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
Устанавливают устройство на виброизолированное (в рабочем диапазоне частот) основание.Install the device on a vibration-proof (in the operating frequency range) base.
Ось телескопа выставляют вдоль нормали к поверхности объекта. Направляют лазерное излучение в область пересечения оптической оси телескопа с поверхностью измеряемого объекта. Для контроля наведения прибора на объект и наведения изображения объекта на резкость используют вводимый светоделителем окуляр для визуального наблюдения. Для последующей тонкого наведения на объект используют цифровую камеру матричного типа. На мониторе получают резкое изображение объекта путем изменения положения плоскости изображения объекта (настройка телескопа). Определяют коэффициент увеличения изображения объекта. Подходы к решению такой задачи известны. Возможно предварительное наведение на резкость с использованием рассеиваемого объектом некогерентного излучения (дневного света). Подходы к решению такой задачи известны.The axis of the telescope is set along the normal to the surface of the object. Laser radiation is directed to the area of intersection of the optical axis of the telescope with the surface of the measured object. To control the guidance of the device on the object and the image of the object to sharpen, use the eyepiece introduced by the beam splitter for visual observation. For the subsequent thin guidance on the object using a digital camera matrix type. A sharp image of the object is obtained on the monitor by changing the position of the image plane of the object (setting the telescope). The magnification factor of the image of the object is determined. Approaches to solving such a problem are known. It is possible to pre-sharpen using incoherent radiation (daylight) scattered by the object. Approaches to solving such a problem are known.
Для получения спекл-картины (картины интерференции от большого количества когерентных источников со случайными фазами и амплитудами) необходимо освещать поверхность диффузно-рассеивающего объекта когерентным излучением. В качестве источника когерентного излучения используют лазер, длина когерентности которого позволяет формировать на поверхности фотоприемного устройства высококонтрастную спекл-картину (спеклованное изображение поверхности объекта). Поскольку длина волны излучения задает масштаб интерференционной картины на поверхности объекта, то необходимо, чтобы за время проведения измерения длина волны когерентного излучения была стабильна (стабильность длины волны входит в объем понятия временной когерентности).To obtain a speckle pattern (interference pattern from a large number of coherent sources with random phases and amplitudes), it is necessary to illuminate the surface of a diffuse scattering object with coherent radiation. A laser is used as a coherent radiation source, the coherence length of which makes it possible to form a high-contrast speckle pattern (a speckled image of the surface of an object) on the surface of a photodetector. Since the radiation wavelength sets the scale of the interference pattern on the surface of the object, it is necessary that the wavelength of coherent radiation be stable during the measurement (the stability of the wavelength is included in the concept of temporal coherence).
При работе в условиях яркой освещенности некогерентным излучением для увеличения контрастности получаемой спекл-картины на оптической оси прибора до фотоприемного устройства устанавливают узкополосный фильтр, пропускающий излучение с длиной волны используемого когерентного излучения.When working in bright light with incoherent radiation, to increase the contrast of the obtained speckle pattern, a narrow-band filter is installed on the optical axis of the device to the photodetector, transmitting radiation with a wavelength of the used coherent radiation.
Объект в поле зрения камеры должен быть освещен однородно. Измеряемое перемещение спеклованного изображения объекта за период времени между экспозициями кадров ограничено полем зрения камеры и не должно, как правило, превышать одной трети поля зрения камеры в любом направлении. При этом перемещение изображения за время экспозиции должно быть много меньше характерного размера спекла.The object in the field of view of the camera should be lit uniformly. The measured movement of the speckled image of an object over a period of time between frame exposures is limited by the field of view of the camera and should not, as a rule, exceed one third of the field of view of the camera in any direction. In this case, the image movement during the exposure should be much smaller than the characteristic speckle size.
В результате в плоскости изображения поверхности объекта формируют высококонтрастную интерференционную картину, включающую большой массив спекл-структур, отличающуюся высокими значениями градиентов интенсивности излучения и содержащую большой массив информации.As a result, a high-contrast interference pattern is formed in the image plane of the object’s surface, including a large array of speckle structures, characterized by high radiation intensity gradients and containing a large amount of information.
Таким образом, получают резкое изображение интенсивности освещенности поверхности объекта в виде спекл-структур в плоскости изображения объекта, где расположена камера матричного типа. Записывают серию кадров с изображениями поверхности объекта через заданные промежутки времени в электронно-вычислительный блок. Для устранения передачи паразитных вибраций по соединительным проводам от электронного блока к камере матричного типа может быть использована система беспроводной передачи информации. Подходы к решению этой задачи известны.Thus, a sharp image of the intensity of illumination of the surface of the object is obtained in the form of speckle structures in the image plane of the object where the camera of the matrix type is located. A series of frames with images of the surface of an object is recorded at predetermined time intervals in an electronic computing unit. To eliminate the transmission of spurious vibrations through connecting wires from the electronic unit to the matrix-type camera, a wireless information transmission system can be used. Approaches to solving this problem are known.
Использование камеры матричного типа позволило не просто устранить характерное для линейной камеры интегрирование сигнала освещенности в направлении, перпендикулярном направлению линейки фоточувствительных элементов по одному из ортогональных направлений (перпендикулярному направлению линейки фоточувствительных элементов), имеющему место при работе скоростной камеры линейного типа, но и существенно повысить исходный массив регистрируемой информации о движении спеклованного изображения в каждом из двух взаимно перпендикулярных направлений. (При использовании цифровой камеры линейного типа для получения информации о движении поверхности объекта не только в одном направлении необходимо проведение измерения с одновременной работой двух линеек фотоприемников, ориентированных во взаимно перпендикулярных направлениях).The use of a matrix-type camera made it possible not only to eliminate the integration of the illumination signal characteristic of a linear camera in a direction perpendicular to the direction of the line of photosensitive elements in one of the orthogonal directions (perpendicular to the direction of the line of photosensitive elements), which occurs during the operation of a high-speed linear type camera, but also significantly increase the array of recorded information about the movement of the speckled image in each of two mutually perpendicular directions. (When using a digital camera of a linear type, to obtain information about the movement of the surface of an object not only in one direction, it is necessary to measure with the simultaneous operation of two lines of photodetectors oriented in mutually perpendicular directions).
Осуществляют последующую обработку кадров с полным или частичным использованием массива записанной в них информации для получения величин перемещений спекл-структур в двух взаимно перпендикулярных направлениях за время между серединами интервалов времени экспозиции соседних кадров с использованием одного из известных методов, например метода поиска максимума кросс-корреляционной функции соседних кадров. По полученным величинам перемещений картин спекл-структур при заданных временных интервалах между кадрами и при известном увеличении телескопа определяют в плоскости поверхности объекта средние значения его виброскорости и ее компоненты по осям, совпадающим с направлением строк и столбцов матрицы, соответственно. Эти данные позволяют также получать информацию о вибрационных параметрах для любых двух взаимно перпендикулярных направлений в плоскости поверхности объекта.Subsequent processing of frames is carried out with full or partial use of an array of information recorded in them to obtain the values of the speckle structure displacements in two mutually perpendicular directions for the time between the midpoints of the exposure time intervals of neighboring frames using one of the known methods, for example, the method of finding the maximum cross-correlation function neighboring frames. Using the obtained values of the displacements of the speckle patterns, for given time intervals between frames and with a known increase in the telescope, the average values of its vibration velocity and its components along the axes coinciding with the direction of the rows and columns of the matrix are determined in the plane of the object’s surface, respectively. These data also make it possible to obtain information on vibration parameters for any two mutually perpendicular directions in the plane of the surface of the object.
Если оптическая ось телескопа отклоняется от направления нормали к поверхности объекта, но поверхность объекта в поле зрения камеры находится в пределах глубины резкости изображения, то в этом случае прибор измеряет компоненты проекции виброскорости объекта на плоскость, перпендикулярную оптической оси телескопа.If the optical axis of the telescope deviates from the normal direction to the surface of the object, but the surface of the object in the field of view of the camera is within the depth of field, then the device measures the projection components of the vibration velocity of the object on a plane perpendicular to the optical axis of the telescope.
С использованием дискретного преобразования Фурье получают частотную зависимость амплитуды виброскорости (см. Фиг.3). Затем, зная указанную зависимость, рассчитывают частотные зависимости для амплитуд виброперемещения, виброускорения и др.Using a discrete Fourier transform, the frequency dependence of the amplitude of the vibration velocity is obtained (see Figure 3). Then, knowing the indicated dependence, calculate the frequency dependence for the amplitudes of vibration displacement, vibration acceleration, etc.
Полученные результаты отображают либо в графической форме, в виде зависимости амплитуды виброскорости (виброперемещения, виброускорения) и др., от частоты, либо в виде числовых таблиц.The results obtained are displayed either in graphical form, in the form of a dependence of the amplitude of vibration velocity (vibration displacement, vibration acceleration), etc., on frequency, or in the form of numerical tables.
Пример конкретного исполнения (по п.1 Формулы).An example of a specific implementation (according to claim 1 of the Formula).
Расстояние от прибора до поверхности объекта измеряли с использованием лазерного дальномера Leica D3 DISTO. Погрешность измерения расстояния не превышала 5 мм.The distance from the instrument to the surface of the object was measured using a Leica D3 DISTO laser range finder. The error in measuring the distance did not exceed 5 mm.
Мощность когерентного источника лазерного излучения определяли с помощью измерителя мощности лазерного излучения ИМО-2Н.The power of a coherent laser source was determined using an IMO-2H laser power meter.
Для установки прибора на удобной для работы с ним высоте использовалась тренога LJ-1 с азимутальной монтировкой AZ3 фирмы Sky Watcher. Тренога устанавливалась на виброгасящие подпятники фирмы Meade. На монтировку, имеющую механизм для точного наведения прибора по азимутальному углу и углу места на измеряемый участок поверхности объекта, устанавливалась платформа, на которой были размещены основные элементы и узлы прибора. Для более эффективного гашения колебаний узлов прибора относительно друг друга платформа изготавливалась из виброгасящего материала.To install the device at a height convenient for working with it, an LJ-1 tripod with an azimuth mount AZ3 from Sky Watcher was used. The tripod was mounted on Meade anti-vibration bearings. A platform was installed on the mount, which has a mechanism for accurately guiding the device along the azimuthal angle and elevation angle to the measured surface area of the object, on which the main elements and components of the device were placed. To more effectively damp the vibrations of the device nodes relative to each other, the platform was made of vibration-damping material.
В качестве когерентного источника излучения использовался полупроводниковый лазер 1 (модель KLM-H650-40-5, λ=0,650 мкм, мощность - 40 мВт). Излучение лазера включалось синхронно с открытием затвора ФПЗС-камеры (для уменьшения энергопотребления прибора). На длине волны излучения лазера ФПЗС-камера 10 (VSC-541-USB) имела чувствительность на уровне 0,8 от максимальной. В приборе полупроводниковый лазер 1 установлен на платформу под углом 90° к оптической оси телескопа. Лазер снабжен формирователем пучка, представляющим собой объектив 2, изменяя положение которого изменяют размер пятна облучения на поверхности вибрирующего объекта. Зеркало 3 направляло луч лазера вдоль оптической оси телескопа. Для сбора рассеянного объектом излучения лазера использован зеркально-линзовый телескоп «Астро-Рубинар-100-Б» с входной апертурой 100 мм и минимальным рабочим расстоянием до объекта 4 м. В состав телескопа входил объектив 4, окулярный узел 12 и окуляр 5. Лазер 1 вместе с объективом 2 устанавливался на юстировочном устройстве, позволяющем осуществлять точное выставление направления луча лазера в область пересечения оптической оси телескопа с поверхностью вибрирующего объекта, находящегося в поле зрения камеры 8. Поскольку измерения проводились при ярком дневном освещении, за окуляром телескопа 5 помещался (выдвигаемый) полосовой интерференционный фильтр 6 (рабочая длина волны λ=650 нм, ширина полосы пропускания Δλ=10 нм), настроенный на пропускание излучения лазера, для отсечения некогерентной дневной засветки. За фильтром 6 помещалось (выдвигаемое) зеркало 7, которое направляло излучение на окуляр 9, предназначенный для визуального наведения прибора на объект. При наблюдении в окуляр 9 осуществлялось как направление оптической оси телескопа на объект, так и наведение изображения объекта на резкость, которое производилось вращением кольца объектива 4. После этого зеркало 7 выводилось из оптического тракта.A semiconductor laser 1 (model KLM-H650-40-5, λ = 0.650 μm, power - 40 mW) was used as a coherent radiation source. The laser radiation was switched on simultaneously with the opening of the shutter of the FPGA camera (to reduce the power consumption of the device). At the laser radiation wavelength, the FPSS camera 10 (VSC-541-USB) had a sensitivity of 0.8 of the maximum. In the device, the semiconductor laser 1 is mounted on the platform at an angle of 90 ° to the optical axis of the telescope. The laser is equipped with a beam former, which is a lens 2, changing the position of which change the size of the irradiation spot on the surface of the vibrating object. Mirror 3 directed the laser beam along the optical axis of the telescope. To collect the laser radiation scattered by the object, the Astro-Rubinar-100-B mirror-lens telescope was used with an input aperture of 100 mm and a minimum working distance of 4 m from the object. The telescope included lens 4, eyepiece 12 and eyepiece 5. Laser 1 together with the lens 2, it was mounted on an alignment device that allows precise alignment of the direction of the laser beam in the region of intersection of the optical axis of the telescope with the surface of a vibrating object in the field of view of camera 8. Since the measurements were carried out b in bright daylight, a (pull-out) band-pass interference filter 6 (operating wavelength λ = 650 nm, bandwidth Δλ = 10 nm), tuned to transmit laser radiation, was placed behind the eyepiece of the telescope 5 to cut off incoherent daylight. Behind the filter 6 was placed a (retractable) mirror 7, which directed the radiation to the eyepiece 9, intended for visual guidance of the device to the object. When observing into the eyepiece 9, both the direction of the optical axis of the telescope toward the object and the image of the object were sharpened, which was performed by rotating the lens ring 4. After that, the mirror 7 was removed from the optical path.
Для более точного определения коэффициента увеличения изображения использовалась его зависимость от расстояния от прибора до объекта, которая заранее определялась экспериментально. Подходы к решению этой задачи известны.To more accurately determine the magnification factor of the image, we used its dependence on the distance from the device to the object, which was previously determined experimentally. Approaches to solving this problem are known.
В плоскости изображения объекта устанавливалась светочувствительная матрица цифровой ФПЗС-камеры 10 марки VSC-541-USB (размер кадра 492×288), работающая на частоте 200 кадров в секунду. Кабелем интерфейса USB 2.0 камера связана с электронно-вычислительным блоком записи, хранения, обработки и отображения информации, в качестве которого в данном приборе использовался персональный компьютер (ПК) типа ноутбук фирмы Fujitsu-Siemens. Управление камерой и обработка поступающей от нее информации осуществлялись ПК с использованием программного обеспечения. Программное обеспечение позволяло записывать последовательность поступающих от камеры кадров в виде avi-файлов в оперативной памяти ПК. После записи последовательности кадров они сохранялись на жестком диске ПК в виде фильма.In the image plane of the object, a photosensitive matrix of a
Программа обработки кадров позволяла определить (при известном коэффициенте увеличения оптической системы, найденном с использованием измеренного расстояния до поверхности объекта) перемещение объекта в интервале времени, равном периоду следования кадров, и тем самым определить среднюю скорость объекта в интервале между экспозициями соседних кадров. Определение смещения спекл-картины в пикселах производилось, например, методом поиска максимума кросс-корреляционной функции соседних кадров с применением алгоритма субпиксельной интерполяции положения максимума. График вычисленной зависимости виброскорости по вертикали и горизонтали от времени отображался на экране монитора. Для получения спектров амплитуды виброскорости (виброперемещения, виброускорения) в программе использовалось быстрое дискретное преобразование Фурье.The frame processing program made it possible to determine (with a known magnification factor of the optical system found using the measured distance to the surface of the object) the movement of the object in a time interval equal to the period of succession of frames, and thereby determine the average speed of the object in the interval between exposures of neighboring frames. The speckle pattern displacement in pixels was determined, for example, by searching for the maximum cross-correlation function of neighboring frames using the algorithm of subpixel interpolation of the maximum position. A graph of the calculated vertical and horizontal vibration velocity versus time was displayed on the monitor screen. To obtain the spectra of the amplitude of vibration velocity (vibration displacement, acceleration), the program used a fast discrete Fourier transform.
В таблице приведены данные измерений, характеризующие чувствительность и точность прибора, описанного в примере конкретного выполнения, в диапазоне частот 5-60 Гц на дистанции 8 метров до объекта при длительности экспозиции кадра 500 мкс. В одном измерении записывалась последовательность длиной до 7000 кадров. Рассчитанное по расстоянию до объекта значения коэффициента увеличения изображения равнялось 0,618.The table shows the measurement data characterizing the sensitivity and accuracy of the device described in the specific example in the frequency range of 5-60 Hz at a distance of 8 meters from the object with a frame exposure time of 500 μs. In one dimension, a sequence of up to 7000 frames was recorded. The image magnification factor calculated from the distance to the object was 0.618.
Значение амплитуды виброскорости объекта устанавливалось на электродинамическом вибростенде и контролировалось с помощью образцового вибропреобразователя с относительной погрешностью определения виброскорости, равной 5% (испытания были проведены во ВНИИМ им. Д.И.Менделеева). Измерялись частота и амплитуда виброскорости колебаний объекта в вертикальном направлении.The value of the amplitude of the object’s vibration velocity was set on an electrodynamic vibration bench and was controlled using an exemplary vibration transducer with a relative error in determining the vibration velocity of 5% (tests were performed at the VNIIM named after D.I. Mendeleev). The frequency and amplitude of the vibration velocity of the object’s vibrations in the vertical direction were measured.
Характерные минимальные амплитуды вибраций, зарегистрированные с использованием прибора, описанного в прототипе, составили 130 мкм на расстоянии 60-80 метров. Минимальные амплитуды виброперемещений, зарегистрированные с использованием заявленного прибора на расстоянии 15 м на частоте 35 Гц, равны 3-5 нм.Typical minimum vibration amplitudes recorded using the device described in the prototype were 130 μm at a distance of 60-80 meters. The minimum vibration displacement amplitudes recorded using the inventive device at a distance of 15 m at a frequency of 35 Hz are 3-5 nm.
Следовательно, отличие порогов чувствительности для амплитуд вибропремещений для нашего прибора и прибора-прототипа составляет более двух порядков.Therefore, the difference in sensitivity thresholds for the amplitudes of vibration displacements for our device and the prototype device is more than two orders of magnitude.
Таким образом, нами предложено устройство, способное работать в любое время суток независимо от источников естественного освещения. Оно позволяет проводить дистанционные измерения вибрационных параметров с высокой чувствительностью и точностью на большой дальности.Thus, we have proposed a device that can operate at any time of the day, regardless of sources of natural light. It allows remote measurements of vibration parameters with high sensitivity and accuracy over long ranges.
Предложенное устройство обладает важным преимуществом по сравнению с промышленно применяемыми приборами, поскольку позволяет регистрировать инфранизкие частоты (≥0,1 Гц).The proposed device has an important advantage compared to industrially used devices, because it allows you to register infra-low frequencies (≥0.1 Hz).
В настоящее время рассматриваются предложения по использованию прибора в области вибродиагностики гражданских и промышленных зданий и сооружений, измерения малых амплитуд колебаний механических гироскопов.Currently, proposals are being considered on the use of the device in the field of vibration diagnostics of civil and industrial buildings and structures, measuring small oscillation amplitudes of mechanical gyroscopes.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010121916/28A RU2447410C2 (en) | 2010-05-21 | 2010-05-21 | Apparatus for remote measurement of vibration parameters of object |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010121916/28A RU2447410C2 (en) | 2010-05-21 | 2010-05-21 | Apparatus for remote measurement of vibration parameters of object |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2010121916A RU2010121916A (en) | 2011-11-27 |
| RU2447410C2 true RU2447410C2 (en) | 2012-04-10 |
Family
ID=45317875
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010121916/28A RU2447410C2 (en) | 2010-05-21 | 2010-05-21 | Apparatus for remote measurement of vibration parameters of object |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2447410C2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2609746C2 (en) * | 2013-06-10 | 2017-02-02 | Виктор Владимирович Холкин | Onset of building structures parts displacement monitoring device |
| RU2773260C1 (en) * | 2021-05-20 | 2022-06-01 | Федеральное автономное учреждение "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФАУ "ЦАГИ") | Method for determining the stress intensity factor for a fracture in a structure |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103940592B (en) * | 2014-04-22 | 2016-09-28 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | Shutter type spectrum transmittance tester and testing method |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU9530U1 (en) * | 1998-07-06 | 1999-03-16 | Волгоградский государственный университет | SMALL PERIODIC VIBRATION METER |
| EP1496343A2 (en) * | 2003-07-08 | 2005-01-12 | Holger Dipl.-Ing. Wente | Method and device for recording the motion of reference points on vibrating structures |
| RU2324906C2 (en) * | 2006-04-17 | 2008-05-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева | Laser meter of angular and linear vibration displacement amplitude |
-
2010
- 2010-05-21 RU RU2010121916/28A patent/RU2447410C2/en active IP Right Revival
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU9530U1 (en) * | 1998-07-06 | 1999-03-16 | Волгоградский государственный университет | SMALL PERIODIC VIBRATION METER |
| EP1496343A2 (en) * | 2003-07-08 | 2005-01-12 | Holger Dipl.-Ing. Wente | Method and device for recording the motion of reference points on vibrating structures |
| RU2324906C2 (en) * | 2006-04-17 | 2008-05-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева | Laser meter of angular and linear vibration displacement amplitude |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2609746C2 (en) * | 2013-06-10 | 2017-02-02 | Виктор Владимирович Холкин | Onset of building structures parts displacement monitoring device |
| RU2773260C1 (en) * | 2021-05-20 | 2022-06-01 | Федеральное автономное учреждение "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФАУ "ЦАГИ") | Method for determining the stress intensity factor for a fracture in a structure |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2010121916A (en) | 2011-11-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9262840B2 (en) | Optical non-contacting apparatus for shape and deformation measurement of vibrating objects using image analysis methodology | |
| US20050279172A1 (en) | Visualization, measurement and analysis of vibrating objects | |
| Jensen et al. | Accelerations in water waves by extended particle image velocimetry | |
| JP2012233758A (en) | Method for measuring vibration and dimension of structure through noncontact measurement and measurement device for the same | |
| CN109269501B (en) | Cold atom interference inertia measurement system | |
| RU2447410C2 (en) | Apparatus for remote measurement of vibration parameters of object | |
| CN105444702A (en) | Object flatness optical detection system | |
| EP4127733B1 (en) | Vibration remote sensor based on speckles tracking, which uses an optical-inertial accelerometer, and method for correcting the vibrational noise of such a sensor | |
| Heikkinen et al. | Perspective error reduction in 2D digital image correlation measurements by combination with defocused speckle imaging | |
| Oliveira et al. | Film thickness and wave velocity measurement using reflected laser intensity | |
| Martins et al. | Conception and development of an optical methodology applied to long-distance measurement of suspension bridges dynamic displacement | |
| CN103217272A (en) | Method for imaging quality degradation amount of photoelectric platform in motion by using optical transfer function | |
| Lal et al. | Whole-field laser vibrometer for buried land mine detection | |
| US6906806B2 (en) | Method and apparatus for measuring motion | |
| Lal et al. | Advanced LDV instruments for buried landmine detection | |
| Humphreys, Jr et al. | Digital PIV measurements of acoustic particle displacements in a normal incidence impedance tube | |
| He et al. | Spatial filtering velocimeter using frequency shifting by the method of rotating kernel | |
| Hou et al. | A high dynamic range in situ flow sensor | |
| JP2006119099A (en) | Device for measuring displacement of periodically movable object | |
| RU2518018C2 (en) | Method for contactless measurement of speed and movement of object and device for its implementation | |
| Malacara-Hernández et al. | Optical Methods in Metrology: Point Methods | |
| Guerra et al. | Holographic Wide-Angle System for Deformation Measurement of Extended Structures. Optics 2022, 3, 79–87 | |
| Di Donato et al. | Noncontact speckle-based velocity sensor [laser Doppler vibrometer] | |
| Jakobsen et al. | Miniaturised optical sensors for industrial applications | |
| CN116183012A (en) | Laser non-contact type object vibration detection and monitoring method |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20120522 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20140210 |