Диссертация (1143951), страница 26
Текст из файла (страница 26)
Этозатрудняет обнаружение дефектных изгибов контура объекта, а равно иреализацию процедуры их фильтрации. Как и в любой оптической системе,изображение также подвержено дополнительному размытия вследствие аберраций.Концепция предлагаемого автором решения указанных выше проблемзаключается в применении метода двумерной аппроксимации для оценки контураи последующей адаптивной фильтрации паразитных деформаций контура междупарой измерений. Под «парой измерений» понимается оценка контура объекта придвух температурах (до и после расширения).
В основе предлагаемой процедурыфильтрации лежит линейная модель расширения контура произвольной формы саприорно неизвестными дефектами, характеризующимися несогласованностью слинейным расширением основной части контура. При этом применениеразработанного метода двумерной аппроксимации позволяет получить болееточную оценку контура по сравнению с традиционными методами обработкиизображений, компенсируя размытие изображения оптической системой (рис. 4.2),его пространственную дискретизацию фотоприемником и неравномерностьяркости образца и фона.161250 мкма)б)в)г)д)е)Рисунок 4.2 Пример работы метода двумерной аппроксимации на примереизображения образца карбида тантала при температуре 1200℃: изображение (а),модель+оценка границы (б), увеличенный фрагмент и сравнение с известнымметодом АСФО (в), разность модельного и зарегистрированного изображений (г),смоделированная маска объекта (д), смоделированное распределение яркостиобъекта (е)4.2.
Система измерения температурного расширения ДОВ-14.2.1.Общее описание системыОписываемая система измерения температурного расширения являетсячастью дилатометра оптического высокотемпературного (ДОВ-1), разработанногов 2012-2014 гг. во всероссийском научно-исследовательском институте метрологииим.
Д. И. Менделеева (ВНИИМ) при кооперации с ЗАО «КБ ЮПИТЕР» (г. СанктПетербург). Разработка электронной и оптико-механической части измерительнойсистемы выполнялась в ЗАО «КБ ЮПИТЕР» при участии автора на этапахразработки программного обеспечения, методики измерений, а также анализа иопределениясистемы [124].параметровспектральныххарактеристиксветофильтров162Система ДОВ-1 прошла модернизацию в 2015-2017 гг., в рамках которойбыливнедреныметодыобработкиизображений,представленныевдиссертационной работе.
Система предназначена для измерения ТКЛР образцовтвердых материалов в диапазоне температур 1000..3000К с конструктивнойвозможностью проведения измерений в температурном диапазоне свыше 300К.Дилатометр включен в состав государственного первичного эталона единицыТКЛР.Рисунок 4.3 Основные компоненты измерительной системы ДОВ-1Оптическая часть измерительной системы ДОВ-1 реализована по схемесдвоенного телемикроскопа (рис.
4.3). Изображение каждого из краев образцаформируется отдельной оптической системой.Состав системы включает:• Два оптических канала, снабженных специальными объективами иустройствами считывания изображений.• Светодиодную систему подсветки образца для проведения измерений вдиапазоне температур, недостаточных для интенсивного свеченияобразца.• Встроенный реперный образец с системой подсветки. Наличиевстроенногореперапозволяетскомпенсироватьсобственные163деформации оптической системы в процессе измерений путемкоррекции результатов измерений.• Системусветофильтров,снижающуювлияниехроматическихаберраций оптической системы.• Систему измерения температуры методами яркостной и спектральнойпирометрии.• Светоделители и зеркала.Основные параметры системы приведены в таблице 4.1.Таблица 4.1 Основные параметры измерительной системы ДОВ-1ПараметрЗначениеУвеличение оптической системы1.1Поле зрения оптической системы5x4 мм (ВxШ)Расстояние до образца400 ммСпектральный диапазон изображения 600..650 нм(ограничен системой светофильтров)Расчетный диаметр диска Эри64 мкмШаг пикселя фотоприемной матрицы2.2 мкмЧастота дискретизации / удвоеннаяпредельная частота изображения:Полнокадровый режим 6.9Режим 4-х кратного биннига пикселей 1.7Длина измеряемого образца40..100 ммПараметры системы подобраны таким образом, чтобы для пространственнойдискретизации изображения выполнялось условие теоремы Котельникова.
Приэтом частота дискретизации изображения 5-мегапиксельным фотоприемником,примененном в системе, существенно выше удвоенной предельной частотыизображения, что позволяет скомпенсировать влияние геометрического шумафотоприемника.Такимобразомосновнымфактором,ограничивающим164разрешающуюспособностьсистемы,являетсяименнодифракционноеограничение полосы частот оптического изображения.Спектральный диапазон изображения в системе ограничен при помощи парыдлинноволнового и коротковолнового светофильтров.
Данное решениеявилосьследствием необходимости минимизации хроматических аберраций, вызванныхизменением спектрального состава излучения при изменении температурыобразца. Расчет остаточного отклонения положения центра тяжести изображенияточечного источника от соответствующего безаберрационной системе непревышает 100 нм во всем поле зрения системы.ИзмерениетемпературногорасширениявсистемеДОВ-1можетосуществляться в двух режимах: по изображениям краев образца или поизображениям отверстий. Использование отверстий для измерения ТКЛР влитературе является менее распространенным решением по сравнению сиспользованием краев, но, как показывает анализ и практический опыт работы,имеет ряд преимуществ.
Во-первых, в пределах поля зрения каждого каналаоптической системы в образце может быть выполнено несколько отверстий, чтопозволяет повысить точность оценки расширения, а также оценить величину ТКЛРпо изображению с каждого из каналов независимо друг от друга. Во-вторых,изображение отверстия позволяет оценить и программно скомпенсироватьвертикальное смещение края образца, что при использовании прямолинейного краязатруднительно. В-третьих, изображение отверстия позволяет обнаружить искомпенсировать паразитное вращение образца вокруг своей оси в процессе егонагрева, что является следствием необходимостью минимизации механическоговоздействия на образец в процессе измерений.Измерение проводится следующим образом:1.
Нагревательная система дилатометра осуществляет нагрев образца дозаданной температуры. В течение нагрева образца окно печидилатометра закрыто непрозрачным экраном.2. Регистрируется серия изображений реперного образца. Для этоговключается подсветка репера, встроенная в измерительную систему.1653. Встроенная подсветка репера выключается, открывается экран печидилатометра. Регистрируется серия изображений измеряемого образца.При температуре печи менее 1000℃ включается внешняя подсветкаобразца.4.
Фиксируются показания системы измерения температуры.5. Экран печи закрывается, после чего повторно регистрируется серияизображений реперного образца.6. Шаги 1-5 повторяются для следующего значения температуры. Еслитемпературная установка печи лежит в диапазоне 900-1100℃, то шаги1-5 выполняются дважды – с включенной подсветкой образца и без нее.Регистрация длительных серий изображений (10-1000 кадров) на шагах 2, 3 и5 позволяет снизить величину случайной погрешности измерения (по сравнению содиночнымколебаниямикадром),образцавызванной,иватмосфернойчастности,шумамирефракциейвфотоприемника,печидилатометра.Оптимальная длительность регистрации определяется интервалом стабильностисистемы и, в зависимости от температурной установки печи дилатометра,составляет единицы-десятки секунд.Регистрация изображений образца при значениях температуры 900-1100℃выполняется как при включенной, так и при выключенной подсветке. Такоерешение обусловлено необходимостью согласования измерений, полученных принизких температурах и дополнительной фоновой подсветкой, и полученных привысоких температурах и интенсивном свечении образца.
Изображение образца вэтих режимах может несколько отличаться вследствие его трехмерной структуры.В процессе обработки результатов, измерения, полученные при собственномсвечении образца и при освещении фоновой подсветкой обрабатываютсянезависимо, а затем состыковываются на основании данных измерений впограничном диапазоне температур, полученных при одинаковых условиях какпри выключенной, так и при включенной подсветке.1664.2.2.Подсистема ввода изображенийПодсистема ввода изображений дилатометра ДОВ-1 разработана в ЗАО «КБЮПИТЕР» (г. Санкт-Петербург) при непосредственном участии автора работы вчасти разработки программного обеспечения (ПО).
Подсистема основана наматричномфотоприемникеMT9P031(Aptina,ONSemiconductor).Растрфотоприемника состоит из 2592x1944 пикселей с шагом 2.2 мкм. Фотоприемниквыполнен по технологии КМОП и не имеет спектральных фильтров, чтообеспечиваетвысокуюразрешающуюспособностьичувствительностьподсистемы ввода изображений. Фотоприемник содержит встроенный усилительвидеосигнала, 12-разрядный АЦП и цифровой интерфейс управления посредствомшины I2C (Inter-Integrated Circuit).
Управление и передача данных осуществляетсяпри помощи контроллера EZ-USB FX3 (Cypress Semiconductor) посредствомвысокоскоростного интерфейса USB3. Видеоданные передаются в несжатом виде.Прием, регистрация и обработка данных выполняется на персональномкомпьютере.Программная часть подсистемы состоит из встраиваемого ПО управляющегоконтроллера и системного ПО компьютера, составляющих многоуровневый стекпрограммных компонентов. Встраиваемое ПО находится на нижнем уровне стекаи управляет режимами работы фотоприемника, а также обеспечивает егоначальную инициализацию и управляет конвейером передачи данных USBконтроллера.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
