Система измерения трёхмерной геометрии методами фазовой триангуляции и бинарных кодов Грея: программный комплекс для настройки

Рассмотрены системы измерения трёхмерной геометрии объекта методами фазовой триангуляции и бинарных кодов Грея. Проанализированы сложности настройки такой системы, возникающие при нестандартных условиях измерений, когда требуется адаптировать элементы системы к окружающим условиям. Для оптимизации параметров указанной системы измерения предложены количественные оценки качества настройки системы, основанные на результатах измерения трёхмерной геометрии объекта и промежуточных измерительных данных. Разработаны алгоритмы расчёта количественных оценок качества работы системы измерения. Создан программный комплекс из двух программ, реализующий обработку и визуализацию результатов измерения трёхмерной геометрии объекта и промежуточных измерительных данных, а также вывод на монитор количественных оценок качества работы системы измерения. Программный комплекс протестирован при настройке системы измерения трёхмерной геометрии наледи на стенде для исследования эффектов обледенения уменьшенных моделей функциональных элементов ветрогенератора. Система измерения настроена на характерный измерительный объём 85×67×25 мм. Оптимизированы частота модулирующего сигнала и параметры оптической системы: взаимное расположение и фокусные расстояния источника и приёмника оптического излучения; длительность экспозиции; усиление аналогового сигнала приёмника. Погрешность измерения трёхмерной геометрии составила 9 мкм. Для системы измерения трёхмерной геометрии объекта методами фазовой триангуляции и бинарных кодов Грея подтверждена возможность настройки с помощью разработанного программного комплекса. Программный комплекс можно использовать в областях, где требуется адаптация параметров системы измерения трёхмерной геометрии методами фазовой триангуляции и бинарных кодов Грея к окружающим условиям, например, ветро- и гидроэнергетика, горячая металлургия.

1. Меледин В. Г. Оптоэлектронные информационные си- стемы для науки и промышленности // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2014. Т. 5. № 1. С. 3–12 [Meledin V. G., Optoelectronic Information Systems for Science and Industry, Interekspo Geo-Sibir’, 2014, vol. 5, no. 1, pp. 3–12. (In Russ.)].

2. Чугуй Ю. В. Трёхмерные оптико-электронные измеритель- ные системы и лазерные технологии для научных и промышлен- ных применений // Автометрия. 2015. Т. 51. № 4. С. 76–91 [Chugui Yu. V. Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing, 2015, vol. 51(4), pp. 385–397. https://doi.org/10.3103/S8756699015040093].

3. Chen L., Huang C., Meas. Sci. Techn., 2005, vol. 16 (5), pp. 1061–1068. https://doi.org/10.1088/0957-0233/16/5/003

4. Genovese K., Pappalettere C., Opt. Laser Eng., 2006, vol. 44(12), pp. 1311–1323. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2005.12.005

5. Lilley F., Lalor M. J., Burton D. R., Opt. Eng., 2000, vol. 39(1), pp. 187–195. https://doi.org/10.1117/1.602351

6. Moore C. J., Burton D. R., Skydan O., Sharrock P. J., Lalor M., Proc. Int. Conf. Medical Information Visualisation – BioMedical Visualisation, 2006, 1691277, pp. 97–102. https://doi.org/10.1109/MEDIVIS.2006.3

7. Hanafi A., Gharbi T., Cornu J., Appl. Opt., 2005, vol. 44(12), pp. 2266–2273. https://doi.org/10.1364/AO.44.002266

8. Berryman F., Pynsent P., Fairbank J., Disney S., European Spine Journal, 2008, vol. 17 (5), pp. 663–672. https://doi.org/10.1007/s00586-007-0581-x

9. Hain T., Eckhardt, Kunzi-Rapp K., Schmitz B., Medical Laser Application, 2002, vol.17 (1), pp. 55–58. https://doi.org/10.1078/1615-1615-00047

10. Ferraq Y., Black D., Lagarde J. M., Schmitt A. M., Dahan S., Grolleau J. L., Mordon S., Skin Research and Technology, 2007, vol. 13(4), pp. 399–405. https://doi.org/10.1111/j.1600-0846.2007.00243.x

11. Jaspers S., Hopermann H., Sauermann G., Hoppe U., Lunderstädt R., Ennen J., Skin Research and Technology, 1999, vol. 5 (3), pp. 195–207. https://doi.org/10.1111/j.1600-0846.1999.tb00131.x

12. Lagarde J. M., Rouvrais C., Black D., Diridollou S., Gall Y., Skin Research and Technology, 2001, vol. 7(2) , pp. 112–121. https://doi.org/10.1034/j.1600-0846.2001.70210.x

13. Quan C., Tay C. J., He X. Y., Kang X., Shang H. M., Opt. Laser Techn., 2002, vol. 34 (7), pp. 547–552. https://doi.org/10.1016/S0030-3992(02)00070-1

14. He X., Sun W., Zheng X., Nie M., Key Engineering Materials, 2006, vol. 326-328, pp. 211–214. https://doi.org/10.4028/www.scientifi c.net/KEM.326-328.211

15. Yilmaz S. T., Ozugurel U. D., Bulut K., Inci M. N., Opt. Commun., 2005, vol. 249(4-6), pp. 515–522. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2005.01.032

16. Zhang Q., Su X., Opt. Express, 2005, vol.13(8), pp. 3110– 3116. https://doi.org/10.1364/OPEX.13.003110

17. De Angelis M., De Nicola S., Ferraro P., Finizio A., Pierattini G., Opt. Commun, 2000, vol. 175(4), pp. 315–321. https://doi.org/10.1016/S0030-4018(00)00477-6

18. Zhang Q., Su X., Opt. Laser Technol., 2002, vol. 34(2), pp. 107–113. https://doi.org/10.1016/S0030-3992(01)00097-4

19. Cobelli P. J., Maurel A., Pagneux V., Petitjeans P., Experiments in Fluids, 2009, vol. 46(6), pp. 1037–1047. https://doi.org/10.1007/s00348-009-0611-z

20. Roger Ernst R. V., Weckenmann A., Local Wall Thickness Measurement of Formed Sheet Metal Using Fringe Projection Technique, Proceedings XVII IMEKO World Congress, Metrology in the 3rd Millennium, June 22−27, 2003, Dubrovnik, Croatia, 2003, pp. 1802–1805.

21. Huang P. S., Jin F., Chiang F., Opt. Laser Eng., 1999, vol. 31(5), pp. 371–380. https://doi.org/10.1016/S0143-8166(99)00019-6

22. Jang P., et al, Proc. SPIE, 2006, 6377 (63770S) https://doi.org/10.1117/12.694358

23. Spagnolo G. S., Ambrosini D., Physical, 2002, vol. 100 (2-3), pp. 180–186. https://doi.org/10.1016/S0924-4247(02)00051-1

24. Chen L., Chang Y., Key Engineering Materials, 2008, vol. 364-366, pp. 113–116. https://doi.org/10.4028/www.scientifi c.net/KEM.364-366.113

25. Burke J., Bothe T., Osten W., Hess C., Proc. SPIE, 2002, vol. 4778, pp. 312–324. https://doi.org/10.1117/12.473547

26. Lin C., He H., Guo H., Chen M., Shi X., Yu T., Journal of Shanghai University, 2005, vol. 9(2), pp. 153–158. https://doi.org/10.1007/s11741-005-0069-z

27. Hecht J., Lamprecht K., Merklein M., Galanulis K., Steinbeck J., Key Engineering Materials, 2007, vol. 344, pp. 847–853. https://doi.org/10.4028/www.scientifi c.net/KEM.344.847

28. Yen H., Tsai D., Yang J., IEEE Trans. Electronics Packaging Manufacturing, 2006, vol. 29(1), pp. 50–57. https://doi.org/10.1109/TEPM.2005.862632

29. Hui T., Pang G. K., Int. Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2009, vol. 42(7-8), pp. 725–734. https://doi.org/10.1007/s00170-008-1639-6

30. Hong D., Lee H., Kim M. Y., Cho H., Moon J., Appl. Opt., vol. 48(21), pp. 4158–4169. https://doi.org/10.1364/AO.48.004158

31. Ambrosini D., Paoletti D., Opt. Eng., 2007, vol. 46(9), 093606. https://doi.org/10.1117/1.2779023

32. Gorthi S. S., Rastogi P., Optics and Lasers in Engineering, 2010, vol. 48, iss. 2, pp. 133–140. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2009.09.001

33. Dvoynishnikov S. V., Rakhmanov V. V., Kabardin I. K., Meledin V. G., Measurement, 2019, vol. 145, pp. 63–70. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2019.05.054

34. Гужов В. И., Солодкин Ю. Н. Анализ точности опре- деления полной разности фаз в целочисленных интерфе- рометрах // Автометрия. 1992. № 6. С. 24–30 [Guzhov V. I., Solodkin Yu. N., Analiz tochnosti opredeleniya polnoi raznosti faz v tselochislennykh interferometrakh, Avtometriya, 1992, vol. 6, pp. 24–30 (In Russ.)].

35. Двойнишников С. В., Куликов Д. В., Меледин В. Г. Оп- тоэлектронный метод бесконтактного восстановления про- филя поверхности трёхмерных объектов сложной формы // Метрология. 2010. № 4. С. 15–27 [Dvoynishnikov, S. V., Kulikov D. V., Meledin V. G., Measurement Techniques, 2010, vol. 53(6), pp. 648–656. https://doi.org/10.1007/s11018-010-9556-0].

36. Двойнишников С. В., Аникин Ю. А., Кабардин И. К., Куликов Д. В., Меледин В. Г. Оптоэлектронный метод бес- контактного измерения профиля поверхности крупногаба- ритных объектов сложной формы // Измерительная техника. 2016. № 1. С. 17–21 [Dvoinishnikov S. V., Anikin Y. A., Kabardin I. K., Kulikov D. V., Meledin V. G., Measurement Techniques, 2016, vol. 59(1), pp. 21–27. https://doi.org/10.1007/s11018-016-0910-8].

37. Пат. № 2708940 РФ / С. В. Двойнишников, В. Г. Ме- ледин, И. В. Щепихин, И. К. Кабардин, Д. В. Куликов // Изо- бретения. Полезные модели. 2019. № 35 [Dvoinishnikov S. V., Meledin V. G., Shchepikhin I. V., Kabardin I. K., Kulikov D. V., RF Patent no. 2708940, Inventions. Utility Models, no. 35 (2019)].