В настоящее время насыщенность среды обитания техногенными системами повышенной опасности достигла критического уровня. Положение усугубляется тем, что основное количество топливно-энергетических, авиакосмических и других систем и средств отработало свой ресурс, однако экономическое состояние не позволяет снимать их с эксплуатации.
В связи с этим определяющее значение приобретает контроль объектов, повышенной опасности по состоянию для определения остаточной ресурса. Это напрямую связано с задачами повышения безопасности эксплуатации такого рода объектов. Переход к эксплуатации по состоянию требует создания средств видеоскопического контроля объектов с обязательной функцией измерения размеров дефектовразмеры дефектов сравниваются с допустимыми значениями, полученными на основе прочностных расчетов, контролируется динамика развития дефектов.
Цель работы — снижение погрешности определения размеров дефектов при телевизионном эндоскопическом контроле, разработка средств видеоэндоскопического контроля и измерения параметров состояния внутренних полостей объектов повышенной опасности. В диссертационной работе решались следующие задачи:
1. Разработка аналитических моделей процессов передачи и воспроизведения изображения в оптико-телевизионных системах контроля с целью описания их пространственных передаточных характеристик;
2. Разработка и исследование методик метрологической аттестации систем оптико-телевизионного контроля;
3. Разработка методов оптимизации оптической передаточной функции с целью улучшения пространственных передаточных характеристик;
4. Разработка и реализация методов цифровой обработки изображения для существенного повышения разрешения системы и качества оцифрованного изображения;
5. Реализация программно-аппаратного комплекса с улучшенными метрологическими характеристиками, легко наращиваемого и реконфигурируемого, со сквозной калибрацией системы, возможностью измерении геометрических и физических характеристик объекта контроля.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Разработана математическая модель объектов видеоэндоскопических измерений и формулы для определения погрешностей измерений дефектов с учетом масштаба изображения и перспективных искажений.
2. Проведена классификация методов линейных измерений дефектов в видеоэндоскопических системах и обоснован выбор метода светового сечения как наиболее эффективного и адекватного задачам дефектометрии узлов и деталей авиакосмической техники и энергоагрегатов.
3. Впервые теоретически и экспериментально исследованы метрологические характеристики цифровых видеоэндоскопических систем, проанализировано влияние ЧКХ она погрешность измерения размеров трехмерных пространственных дефектов.
4. Определены перспективы развития цифровых видеоэндоскопических систем. Предложен и реализован новый адаптивный метод светового сечения для дефектометрии объектов с помощью видеоэндоскопических систем, инвариантный к ориентации дефектов на поверхности объекта.
— ь.
5. Разработана методика измерения ЧКХ видеоэндоскопических систем и методика оценки эффективности влияния цифровой фильтрации на достоверность контроля и погрешность дефектометрии объектов.
Системы различных поколений и модификаций, разработанные в рамках настоящей диссертации, внедрены на предприятии УралЛУК Трубмаш (г. Челябинск), в ФЦДТ «Союз» (г. Люберцы), НПО «Рыбинские Моторы» (г. Рыбинск). Готовится ввод в эксплуатацию еще одной установки БХ 2.1 на УралЛУК Трубмаш, а также на НПО «Салют» (г. Москва).
Диссертация состоит из четырех глав и списка литературы. В первой главе приводится анализ специфики объектов контроля — энергетических установок большой единичной мощности и задач дефектометрии для данного класса объектовприводится классификация типовых дефектов авиакосмической техники, контролируемых средствами эндоскопии и видеоэндоскопии. Приведен обзор созданных ранее и применяемых в настоящее время видеодефектометрических системпоказаны тенденции их развития. Показаны перспективы развития и применения цифровых средств работы с изображением и визуальной дефектоскопии и дефектометрии. Определены задачи исследования.
Во второй главе проведены теоретические исследования по созданию математической модели оптико-телевизионного тракта цифрового измерительного видеоэндоскопа, реализующего метод светового сечения для измерения трехмерных дефектов. Анализируется влияние цифровой обработки изображения на чувствительность контроля и точность дефектометрии.
Основное внимание уделено анализу погрешностей измерения с учетом специфики применения измерительных видеоэндоскопов для диагностики труднодоступных узлов и агрегатов авиакосмической техники.
Показано, что источники погрешностей можно разбить на три основные группы:
• масштабные и перспективные искажения размеров и формы дефектовразмытие границ и контуров изображения дефекта, обусловленное фильтрацией пространственно-частотных спектров объективом видеоэндоскопа и дискретной структурой матричного ПЗС-преобразователя;
• погрешности апостериорной обработки изображений, вызванные апертурными ограничениями реальных цифровых фильтров с конечным числом анализирующих элементов.
В третей главе приводятся описания и результаты эспериментальных исследований метрологических характеристик видеодефектометрических систем. Разработана методология измерения частотно-контрастной характеристики микротелевизионных измерительных системисследованы метрологические характеристики ПЗС ТВ-камер. Приводится описание разработки методов и средств метрологического обеспечения систем компьютерной дефектометрии, исследований метрологических характеристик измерительных видеоскопов и их основных элементов — объективов и ПЗС-матриц.
В четвертой главе описываются созданные при непосредственном участии автора системы типового ряда БХ, внедренные на ряде предприятий авиакосмической и нефтегазовой отраслей — базовая дефектоскопическая система БХ 2, базовая измерительная дефектоскопическая система БХ 3, специальная измерительная дефектоскопическая система БХ 3 БСН. Приведены результаты исследований по применению системы БХ 3 для наблюдения и измерения результатов магнитопорошковой и капиллярной дефектоскопии контрастным и флуоресцентным методами.
— с.
Основные научные результаты докладывались на международной конференции. «Энергодиагностика и Condition Monitoring», Москва, 1998 г., 3-ем Международном конгрессе «Защита 98», Москва, 1998 г., 15-ой Российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика», Москва, 1999 г., 7-ой Европейской конференции по неразрушающему контролю, Копенгаген, 1999 г., опубликованы в отечественных и зарубежных изданиях.
4.5. Выводы.
1. Описан разработанный и внедренный комплекс БХ 2 — базовая дефектоскопическая система, состоящая из камерной головки со встроенной фронтальной подсветкойц, блока питания ТВ-камеры, блока питания подсветки, ПЭВМ со встроенным устройством цифрового ввода изображения и средствоми вывода обработанных изображений (полутоновым принтером). Используются фильтры для повышения четкости изображений, шумоподавления случайного (точечного) шума видеоканала, компенсации черессторчной структуры изображениявведен аппарат компрессирования изображений. Приведены результаты практического использования.
2. Описана двухканальная телевизионная измерительная система БХ 3 для измерения геометриченских параметров поверхностных дефектов внетренних труднодоступных полостей. Описан математический аппарат обработки изображений с целью улучшения восприятия изображения, и, как прямое следствие — с целью повышения надежности контроля. Описаны процедуры и средства метрологического обеспечения системы БХ 3.
3. Описана ТВ-система контроля качества пайки сотовых уплотнений авиадвигателей, с помощью которй проводится контроль качества пайки на основе непосредственного наблюдения дня ячейки сот, а также на основе анализа бликов в соседних с контролируемой ячейках При вводе в нее световода, подсоединенного к источнику света. Приводятся результаты конкретных применений.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
1. Проведен анализ состояния цифровых средств оптико-телевизионного диагностирования и дефектометрии труднодоступных элементов высоконагруженных элементов конструкций авиакосмической техники. Установлено, что в современных условиях, в связи с переходом к эксплуатации по фактическому состоянию, актуальна разработка цифровых измерительных видеоэндоскопических компьютерных систем для оперативного дефектоскопического мониторинга изделий и объектов. Предложена классификация средств оптической дефектометрии в эндоскопии и обоснован выбор метода светового сечения как наиболее информативного и совместимого с цифровыми средствами обработки изображений.
2. Проведен анализ метрологических характеристик метода светового сечения применительно к задачам видеоэндоскопии объектов авиакосмической техники и энергомашиностроения. Исследовано влияние перспективных и масштабных искажений изображений дефектов на основе разработанной автором оптико-геометрической модели метода светового сечения.
3. Показано, что комплексная оценка метрологической надежности видеоэндоскопических систем возможна только с учетом пространственно-частотных переходных характеристик (ПЧПХ) всех звеньев, участвующих в формировании изображений дефектов.
4. Предложена методика теоретического и экспериментального анализа ПЧПХ основных звеньев видеоэндоскопических систем с учетом особенностей их спектральных и структурных характеристик. Впервые выполнены экспериментальные измерения ПЧПХ микрообъективов, световодных трактов, ПЗС-матриц ряда производителей и телевизионных дисплеев в широком интервале яркостей, длин волн и пространственных частот тест-объектов. Исследовано влияние степени когерентности лазерного излучения на передаточные свойства оптико-телевизионных систем и установлено, что применение лазерной подстветки объектов существенно улучшает разрешающую способность и метрологические свойства видеоэндоскопов. На основе проведенных исследований разработаны рекомендации по оптимизации характеристик измерительных видеоэндоскопов применительно к конкретным дефектоскопическим ситуациям.
5. Предложена методика апостериорной программной обработки дефектоскопи-ческих изображений в интерактивных измерительных видеоэндоскопических системах с использованием предложенных автором алгоритмов цифровой фильтрации пространственно-частотных спектров объектов. Разработана, методика оценки эффективности этой обработки на базе статистического анализа вероятности обнаружения типовых дефектов и погрешности оценки их размеров с помощью видеоэндоскопических интерактивных компьютерных систем. Проведена апробация предложенных методов оценки информационных и метрологических характеристик видеоэндоскопов применительно к конкретным системам контроля, результаты которой подтвердили их достоверность и эффективность.
6. Разработан ряд видеоэндоскопических систем различного назначения для измерительного контроля и диагностики различных объектов ответственного назначения, в том числе: компьютерная система БХ 2 для контроля труб нефтегазового сорта-ментакомпьютерная микротелевизионная система БХ 3 БС для контроля изделий спецтехники методом светового сечениякомпьютерная видеодефектометрическая системаБХ 3 БСН контроля качества пайки сотовых уплотнений авиатурбин.
— 119.
Результаты выполненных в диссертации исследований были также успешно использованы в системах капиллярной и магнитопорошковой дефектоскопии, использующих телевизионный метод наблюдения и документирования индикаций, в системах цифровой обработки радиографических изображений и других устройствах контроля и диагностики.
Все вышеперечисленные системы успешно внедрены на ряде ведущих предприятий нефтегазового комплекса, оборонной техники, машиностроения.
