Способ бесконтактного оптического измерения параметров вибрации механизмов, конструкций и биологических объектов



Способ бесконтактного оптического измерения параметров вибрации механизмов, конструкций и биологических объектов

 


Владельцы патента RU 2546714:

Конобеевский Максим Анатольевич (RU)

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к оптическим способам измерения параметров вибрации объектов. Формируют сигнал видеоизображения исследуемого объекта с помощью видеокамеры, производят последующую оцифровку указанного сигнала с помощью аналогово-цифрового преобразователя, обрабатывают оцифрованное видеоизображение с помощью ЭВМ, получают информацию об абсолютных параметрах вибрации точек исследуемого объекта на видеоизображении. Технический результат - повышение эффективности вибродиагностики, расширение области ее применения и повышение точности измерения параметров вибраций. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к оптическим способам измерения параметров вибрации объектов, и может быть использовано в системах машинного зрения для контроля работы механического оборудования, машин, механизмов, при обследовании и оценке технического состояния строительных конструкций и производственных объектов, а также относится к областям биометрии, медицины, психологии, и может быть использовано для получения психофизиологической информации об биологических объектах, в частности человека.

Известно, что вибрация - это механические колебания тела. Самый простой вид вибрации - это колебание или повторяющееся движение объекта около положения равновесия. Этот тип вибрации называется общей вибрацией, потому что тело перемещается как единое целое и все его части имеют одинаковую по величине и направлению скорость.

Колебательное движение твердого тела может быть полностью описано в виде комбинации шести простейших типов движения: поступательного в трех взаимно перпендикулярных направлениях (х, y, z в декартовых координатах) и вращательного относительно трех взаимно перпендикулярных осей (Ox, Oy, Oz). Любое сложное перемещение тела можно разложить на эти шесть составляющих. Поэтому о таких телах говорят, что они имеют шесть степеней свободы.

Известно, что вибрация тела всегда вызывается силами возбуждения. Эти силы могут быть приложены к объекту извне или возникать внутри него самого. Вибрация конкретного объекта полностью определяется силой возбуждения, ее направлением и частотой. Вибрационный анализ позволяет выявить силы возбуждения, например при работе машины. Эти силы зависят от состояния машины, и знание их характеристик и законов взаимодействия позволяет диагностировать дефекты последней.

Известен способ измерения параметров вибрации объекта, включающий закрепление на объекте тест-объекта и регистрацию изображения тест-объекта с вибрационным размытием. При этом в качестве тест-объекта используют миру, выполненную в виде групп параллельных парных штрихов, имеющих общую ось симметрии, с расстоянием между штрихами в группе, равным удвоенной ширине штриха, уменьшающейся от группы штрихов с низкой пространственной частотой к группе штрихов с высокой пространственной частотой. Сначала с помощью видеокамеры формируют на экране монитора компьютера изображение миры для каждой частоты кадровой развертки видеокамеры до получения неподвижного изображения миры с вибрационным размытием и фиксацией соответствующей частоты кадровой развертки видеокамеры, равной частоте вибрации объекта. После чего регистрируют в неподвижном изображении миры с вибрационным размытием нулевой контраст в группе штрихов с наиболее низкой пространственной частотой, в которой ширина штриха равна размаху вибрации объекта (RU2395792).

Недостатками описанного способа являются узкая область применения вследствие необходимости закрепления на объекте измерения тест-объекта, при условии отсутствия перемещения в пространстве самого объекта измерения и постоянстве направления вибраций, т.е. фиксируются простейшие гармонические колебания линейных систем.

Большинство механических систем, конструкций и тем более биологических объектов являются более сложными, чем простая материальная точка, и они совсем не обязательно будут колебаться под воздействием внешней или внутренней силы как единое целое.

Известно, что ни одна реальная система не является абсолютно линейной, т.е. наличие внешней или внутренней возбуждающей силы вызывает множество ответных вибраций. Существует большое разнообразие нелинейностей, которые в той или иной степени присутствуют в любой механической системе, конструкции или биологическом объекте.

Известен способ для получения информации о психофизиологическом состоянии живого объекта, описанный в патенте RU2289310, в котором получают изображение объекта, проецируют изображения на фотоприемное устройство, преобразуют изображения объекта в электрический сигнал с последующей его оцифровкой, обрабатывают межкадровую разницу с помощью ЭВМ. Обработка включает в себя выделение и фиксацию частотной составляющей вибрации живых объектов (прототип).

Недостатками описанного способа являются получение не абсолютных, а относительных параметров частоты вибрации наблюдаемого объекта и невозможность измерения частоты вибраций неживых объектов.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в расширении области применения способа бесконтактного оптического измерения параметров вибрации живых и неживых объектов, повышении точности измерения параметров вибрации.

Заявленный технический результат достигается тем, что в известном способе, выбранном за прототип, дополнительно фиксируют изменения яркости пикселей в последовательных кадрах, устанавливают порог, определяющий величину минимально допустимого различия в яркости пикселя на двух соседних кадрах, при этом если величина яркости на текущем и на предыдущем кадрах различна и по модулю превышает установленный порог, то в бинарную последовательность записывается «1», в противном случае - «0», определяют частоту колебаний яркости пикселя видеоизображения объекта по количеству «I» в полученной бинарной последовательности. Для накопления информации используют одномерный массив длинной в FPS элементов, каждый из которых представляет собой 1 байт. Значение порога устанавливается в пределах от 1 до 255 байт. Полученные данные о частоте колебаний наблюдаемого объекта представляют в виде гистограммы, по горизонтальной оси которой представлена шкала частот, а по вертикальной оси - количество точек (пикселей), принадлежащих определенной частоте колебаний объекта.

Реализацию предложенного способа осуществляют с помощью стандартных аппаратных средств. На рисунке изображена система, содержащая наблюдаемый объект 1, устройство формирования видеоизображения 2, ЭВМ 3.

Система работает следующим образом.

1. Получение оцифрованного видеоизображения объекта. Изображение объекта фиксируется видеокамерой, например аналоговой, оцифровывается с помощью аналогово-цифрового преобразователя и обрабатывается на ЭВМ с помощью специальной программы.

2. Реализация алгоритма измерения частоты.

Принцип действия алгоритма замера частот основан на утверждении, что последовательное изменение яркости группы соседних точек (пикселей) видеоизображения объекта последовательно в прямом и противоположном направлении является его колебанием.

Алгоритм измерения частоты в предлагаемом способе получения информации о параметрах вибрации точек исследуемого объекта на видеоизображении, реализуется согласно известному способу определения усредненных значений частоты, в котором искомая усредненная частота Jy определяется путем подсчета числа периодов Nx нa заданном интервале времени Т и деления длительности интервала Т на подсчитанное число периодов Nx.

f y = T / N . ( 1 )

Для замера частоты колебаний яркости одного пикселя берется временной интервал и фиксируется изменение яркости с течением данного отрезка времени, далее производится «бинаризация» последовательности и подсчет количества изменений яркости за известный период времени.

2.1 Фиксация изменения яркости

Для накопления информации об изменении яркости каждого элемента изображения используют одномерный массив длиной в FPS элементов, каждый из которых представляет собой 1 байт (значение от 0 до 255), что позволяет сохранить информацию об изменении яркости в течение 1 секунды.

2.2 Далее проводят процесс бинаризации, который представляет собой приведение массива изменения яркости к бинарному массиву соответствующего размера. Этот процесс осуществляется по следующему алгоритму:

2.2.1 Вводят условие порога, которое регулирует величину, определяющую минимально-допустимое различие в яркости пикселя на двух соседних кадрах. Если яркость изменяется меньше, чем на установленный порог, изменение не фиксируется, в бинарную последовательность ставят «0». Значение порога может быть установлено в пределах от 1 до 255.

2.2.2 Далее определяют направление изменения яркости. Если направления изменения яркости (возрастает / убывает) на текущем и предыдущем кадре различны и величина изменения яркости по модулю превышает порог, то в бинарную последовательность записывают «1», иначе - «0».

В итоге после обработки получают последовательность (пример «00011010101001010»), длина последовательности равна FPS элементов.

2.2.3 Затем определяют частоты колебаний. На основе полученной бинарной последовательности считают частоту колебания яркости пикселя, в частности на представленном примере она равна 7 Гц, и определяется количеством «1» в бинарной последовательности.

3. Отображение информации о частотах

На каждом FPS кадре опрашивают все точки контроля частоты за последние FPS кадров. На основании данных о количестве точек с определенными частотами строят гистограмму, по горизонтальной оси которой представлена шкала частот, а по вертикальной - количество точек «генерирующих» эту частоту.

1. Способ бесконтактного оптического измерения параметров вибрации механизмов, конструкций и биологических объектов, заключающийся в получении видеоизображения наблюдаемого объекта с последующей оцифровкой полученного сигнала, обработкой межкадровой разности с помощью ЭВМ, отличающийся тем, что дополнительно фиксируют изменение яркости пикселей в последовательных кадрах видеоизображения, устанавливают порог, определяющий величину минимально допустимого различия в яркости пикселя на двух соседних кадрах, при этом если величина яркости на текущем и на предыдущем кадре различна и по модулю превышает установленный порог, то в бинарную последовательность записывается «1», в противном случае - «0», определяют частоту колебаний яркости пикселя видеоизображения объекта по количеству «1» в полученной бинарной последовательности.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что значение порога устанавливается в пределах от 1 до 255.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что полученные данные о частоте колебаний наблюдаемого объекта представляются в виде гистограммы, по горизонтальной оси которой представлена шкала частот, а по вертикальной оси - количество точек (пикселей), принадлежащих определенной частоте колебаний объекта.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля положения поглощающих стержней различного функционального назначения в активной зоне реактора, а также различных механических узлов и оборудования, например, на атомных электростанциях.

Изобретение относится к измерительной технике. На исследуемый объект в качестве тест-объекта наносят светоотражающие метки круглой формы.

Изобретение относится к измерительной технике. На исследуемый объект наносят светоотражающие метки круглой формы.

Изобретение относится к области распределенных измерений, а именно к распределенным датчикам акустических и вибрационных воздействий. В распределенном датчике акустических и вибрационных воздействий, содержащем чувствительный элемент в виде волоконно-оптического кабеля и оптически соединенный с ним через оптический интерфейс когерентный фазочувствительный оптический рефлектометр, содержащий оптически соединенные с интерфейсом источник периодической последовательности оптических импульсов и приемник рассеянного излучения с фотодетектором, предназначенный для преобразования рассеянного оптического излучения в электрический сигнал, подаваемый в блок обработки, причем источник периодической последовательности оптических импульсов и блок обработки электрически соединены с блоком управления и синхронизации, а источник периодической последовательности оптических импульсов и/или приемник рассеянного излучения выполнен многоканальным с числом каналов не менее двух и с возможностью регистрации рефлектограмм, формирующихся в каждом из каналов, приемник рассеянного излучения содержит неравноплечный интерферометр Маха-Цендера или Майкельсона с фарадеевскими зеркалами, при этом интерферометр имеет не менее двух выходных каналов, каждый из которых соединен с фотодетектором, а блок управления и синхронизации выполнен с возможностью обеспечения разделения и независимой обработки сигналов с каждого из выходных каналов интерферометра.

Устройство для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта содержит непрерывный полупроводниковый лазер, оптический модулятор, предназначенный для формирования периодической последовательности прямоугольных импульсов длительностью в диапазоне от 50 нс до 500 нс и частотой следования от 200 Гц до 50 кГц, чувствительный элемент в виде волоконно-оптического кабеля, узел ввода оптического излучения в чувствительный элемент и вывода рассеянного излучения, фотоприемник, предназначенный для преобразования рассеянного оптического излучения в электрический сигнал, и узел обработки сигнала с процессором, при этом непрерывный полупроводниковый лазер снабжен брэгговским селективным отражателем с возможностью сужения полосы непрерывного излучения лазера до уровня менее 100 кГц, а оптический модулятор выполнен в виде акустооптического модулятора на бегущей акустической волне с возможностью формирования периодической последовательности прямоугольных импульсов с коэффициентом гашения К≥10×lg(T×f), где Т - длительность импульса, f - частота следования.

Система содержит источник света для передачи света на поверхность вала через множество пучков оптических волокон, расположенных во множестве местоположений вблизи поверхности в по существу аксиальном направлении между концами по меньшей мере одного вала; высокотемпературный зонд отражения на основе пучка волокон для обнаружения света, отраженного от поверхности вала, механизм измерения для определения крутящего момента или вибрации на валу.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерений вибраций. Способ измерения амплитуды нановибраций ξ заключается в том, что освещают объект лазерным излучением, преобразуют отраженное от него излучение в электрический (автодинный) сигнал, раскладывают сигнал в спектральный ряд и измеряют значение амплитуды гармоники Sx на частоте колебания объекта Ω.

Изобретение может использоваться для неразрушающего контроля материалов. Устройство содержит лазер, делитель, первую и вторую линзы и последовательно соединенные генератор ультразвуковой частоты и пьезокерамический излучатель, находящийся в емкости, в которой также размещены на одной линии с излучателем исследуемый образец и собирающая акустическая линза.

Изобретение относится к технике преобразования вибрационных сигналов и может быть использовано в технических системах обнаружения и контроля вибраций объектов. Дистанционный вибродатчик содержит источник излучения, двухэлементный фотоприемник и вычитающее устройство, входы которого соединены с выходами элементов фотоприемника.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к виброметрии, и может быть использовано для измерения амплитуды механических колебаний поверхностей твердых тел в диапазоне звуковых и ультразвуковых частот, в частности для измерения амплитуды колебаний многополуволновых излучателей переменного сечения ультразвуковых колебательных систем, используемых в составе аппаратов, предназначенных для интенсификации технологических процессов.

Группа изобретений относится к измерительной технике. Устройство для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта согласно первому варианту реализации содержит передатчик оптического излучения, два приемника, два чувствительных элемента, выполненных в виде оптического волокна, два разветвителя, три канала связи, два ответвителя, три усилителя. В качестве волокон использованы каналы связи волоконно-оптической линии передачи, длина которой не меньше половины длины чувствительного элемента. При этом выход передатчика подсоединен только одним первым каналом связи к каждому из входов двух разветвителей, каждый из которых соответственно подсоединен к одному из чувствительных элементов, выход одного из разветвителей соответственно подсоединен посредством второго канала связи ВОЛП к входу одного приемника оптического излучения, а выход другого из разветвителей посредством третьего канала связи - к входу другого приемника оптического излучения. Согласно второму варианту реализации, выход передатчика подсоединен только одним первым каналом связи ВОЛП к входу первого разветвителя, который подсоединен к одному концу первого чувствительного элемента, который противоположным концом подсоединен к входу второго разветвителя, подсоединенного к второму чувствительному элементу, выход одного из разветвителей соответственно подсоединен посредством второго канала связи ВОЛП к входу одного приемника оптического излучения, а выход другого из разветвителей посредством третьего канала связи - к входу другого приемника оптического излучения. Технический результат - повышение точности измерения. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области измерительной технике и касается оптико-электрического преобразователя механических волн. Преобразователь механических волн содержит осветитель, водяную емкость с зеркальным узлом и стойку, поддерживающую светочувствительный элемент. Осветитель установлен на демпфере под углом к вертикали. Лучи от осветителя падают на зеркальный узел, находящийся в водяной емкости, и отражаются от него на светочувствительный элемент, установленный на текстолитовой стойке. Размер чувствительной площадки светочувствительного элемента выбирают из условия равенства размеру светового пятна отраженного излучения. Технический результат заключается в повышении чувствительности и надежности устройства. 1 ил.

Изобретение относится к метрологии, в частности к средствам фазометрии для определения акустических или вибрационных возмущений. Способ распределенного акустического считывания обеспечивает измерение производной или скорости изменения сигнала, рассеянного в обратном направлении в волокне. Способ осуществляется путем введения входного сигнала в отрезок оптического волокна, приема возвращенного сигнала, рассеянного в обратном направлении от упомянутого оптического волокна в ответ на упомянутый входной сигнал, сравнение первого возвращенного сигнала, рассеянного в обратном направлении от части упомянутого волокна в первый момент времени, и второго возвращенного сигнала, рассеянного в обратном направлении от той же самой части упомянутого волокна во второй, отличающийся момент времени. При этом первый возвращенный сигнал модулирован первым смещением частоты, а упомянутый второй возвращенный сигнал модулирован вторым смещением частоты. В дальнейшем осуществляется вычисление скорости изменения фазы во времени для упомянутого рассеянного в обратном направлении сигнала. Устройство содержит оптическое волокно, приемник сигнала, рассеянного в обратном направлении, выходной интерферометр, содержащий модулятор частоты, фазовый детектор. Технический результат - улучшение качеств считывания фазовой составляющей. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 4 ил.

Распределенный датчик акустических и вибрационных воздействий содержит чувствительный элемент в виде оптического волокна, помещенного в волоконно-оптический кабель, и оптически соединенный с волокном через интерфейс когерентный фазочувствительный оптический рефлектометр. Также датчик содержит соединенный с интерфейсом источник периодической последовательности оптических тестирующих сигналов, выполненный в виде последовательно оптически соединенных непрерывного лазера, акустооптического модулятора на бегущей акустической волне, и приемник рассеянного излучения. Указанный источник выполнен с возможностью формирования тестирующих сигналов в виде пары импульсов равной длительности с задержкой второго импульса относительно первого и периодически изменяемой задержкой фазы оптической несущей волны второго импульса относительно фазы оптической несущей волны первого импульса. Технический результат - достижение линейного отклика устройства к внешнему воздействию, обеспечение равномерного распределения чувствительности вдоль длины волокна (датчика) и уменьшение вероятности возникновения зон нечувствительности. 6 з.п. ф-лы, 1 табл., 4 ил.

Изобретение относится к метрологии, а, именно к виброметрии. Датчик содержит чувствительный оптический кабель, оптический интерфейс, когерентный фазочувствительный оптический рефлектометр. Рефлектометр содержит соединенные с интерфейсом источник периодической последовательности оптических импульсов и приемник рассеянного излучения. Источник периодической последовательности оптических импульсов и блок обработки электрически соединены с блоком управления и синхронизации. Измеритель снабжен оптическим мультиплексором и источником излучения накачки для рамановского усиления рассеянного сигнала. Мультиплексор установлен между оптическим интерфейсом и чувствительным элементом, выход оптического мультиплексора соединен с чувствительным элементом, первый вход мультиплексора соединен с оптическим интерфейсом, а второй вход мультиплексора соединен с источником излучения накачки для рамановского усиления рассеянного сигнала. Источник излучения накачки для рамановского усиления выполнен с возможностью периодического изменения мощности накачки для рамановского усиления рассеянного сигнала во времени от Pp(t)=Pmin в момент времени T0 до Pp(t)=Pmax в момент времени Tmax. Технический результат - повышение чувствительности. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к распределенным волоконно-оптическим устройствам обнаружения звуковых волн. Заявленное распределенное волоконно-оптическое устройство обнаружения звуковых волн включает блок излучения оптических импульсов, вызывающий падение оптического импульса на оптическое волокно, и блок приема света рэлеевского рассеяния, принимающий рэлеевское рассеяние света, полученное внутри оптического волокна. Блок излучения оптических импульсов выдает оптический импульс, модулированный кодовой последовательностью, которая имеет заданную длину, основанную на размере длины оптического волокна, и посредством которой оптический импульс разделяется на множество элементов заданной ширины. Техническим результатом является повышение чувствительности и точности обнаружения звуковой волны. 11 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к информационно-измерительным системам и может применяться для вибромониторинга протяженных, площадных или объемных объектов. Оптическое волокно размещают в механической связи с контролируемым объектом и генерируют оптические импульсы длительностью T. Осуществляют фотоприем рассеянного в обратном направлении оптического излучения и разделяют сигналы фототока по виртуальным каналам дальности. Определяют значения амплитуды сигналов фототока и осуществляют их коррекцию с учетом выявленного уровня шума. Устройство, реализующее способ, содержит оптическое волокно, импульсный источник лазерного излучения, ответвитель или циркулятор с оптическим волокном. Блок оценки уровня шума в каждом из сигналов и последующей коррекции амплитуды выполнен в виде подключенного к ответвителю или циркулятору фотоприемника, связанного с вычислителем через аналого-цифровой преобразователь сигнала фототока. Технический результат - повышение достоверности результатов мониторинга путем выравнивания чувствительности по виртуальным каналам дальности, что выражается в снижении вероятности ложных срабатываний при обнаружении вибрационных воздействий и/или повышении вероятности правильного обнаружения таких воздействий. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

Способ создания нормированного натяжения волоконного световода в корпусе геофона относится к области производства подводных сейсмических датчиков, используемых для контроля и измерения параметров сейсмических и гидрологических процессов, протекающих в морях и океанах. Способ основан на том, что устанавливают стойку и примыкающую к ней наклонную поверхность, устанавливают угол наклона наклонной поверхности, соответствующий нормированному значению натяжения волоконного световода, закрепляют чувствительный участок волоконного световода на конце первой опоры, установленной в корпусе геофона, размещают геофон на наклонной поверхности таким образом, чтобы корпус был наклонен первой опорой вниз, закрепляют верхнюю часть волоконного световода на стойке, размещают чувствительный участок волоконного световода на конце второй опоры, установленной в корпусе геофона, а требуемое нормированное натяжение волоконного световода создают под действием веса корпуса геофона, после чего фиксируют его путем закрепления чувствительного участка волоконного световода на конце второй опоры геофона. Техническим результатом является повышение точности и стабильности при создании нормированного натяжения волоконного световода в корпусе геофонов. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к волоконно-оптическим сенсорным системам, используемым в системах мониторинга протяженных и крупногабаритных объектов, и может быть использовано для мониторинга состояния судна и элементов его конструкции (баки и т.д.) путем акустоэмиссионной диагностики, детектируя акустические сигналы от этих элементов, которые воздействуют на оптическое волокно и могут быть зарегистрированы при помощи метода когерентной рефлектометрии. Задача - повышение динамического диапазона полезного сигнала измерений вибраций акустического частотного диапазона и соответствующее увеличение длины сенсорного участка вдоль инспектируемого объекта. Технический результат достигается за счет того, что волоконно-оптическое устройство большой протяженности с источником излучения малой мощности для регистрации вибрационных воздействий акустического частотного диапазона включает в себя первую последовательную цепочку измерительного канала из узкополосного когерентного источника излучения (лазера с большой длиной когерентности) 1 малой мощности, оптического изолятора 2, разветвителя 3, управляемоего драйвером акустооптического модулятора 4, оптического циркулятора 6 и сенсорного оптоволоконного участка 7. Для обратнорассеянного сигнала из сенсорного участка 7 через первый циркулятор 6 есть вторая последовательная цепочка из предусилителя 8, оптического фильтра 9, второго циркулятора 10, узкополосного фильтра Фабри-Перо 11, третьего циркулятора 12 и первого цифрового фотоприемного устройства 13. Со второго выхода разветвителя 3 в калибровочный канал со вторым разветвителем 16 для деления неискаженной части сигнала из источника излучения 1 во второе цифровое фотоприемное устройство 17 и подачи второй части этого сигнала исходного непрерывного излучения через третий циркулятор 12, далее через фильтр Фабри-Перо 11 и второй циркулятор 10 в третье цифровое фотоприемное устройство 18. Выходы всех трех цифровых фотоприемных устройств заведены в цифровой вычислительный блок 14, из которого выработанный в блоке 14 сигнал обратной связи через блок обратной связи 15 поступает на вход подстройки фильтра Фабри-Перо 11. Выход вычислительного блока 14 по отображению результатов инспектирования (регистрации вибрационных воздействий на сенсорный оптоволоконный участок) соединен с блоком отображения 19. 2 ил.
Наверх