Технічні науки/ 6. Електротехніка та радіоелектроніка.

К.т.н. Сєрий К.М.

Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», Київ, Україна

Система визначення двомірних координат положення вимірювального перетворювача на основі однієї оптичної камери з ПЗЗ матрицею

Оптичні системи у складі оптичного об’єктиву та фотоприймача у вигляді двомірної матриці приладів з зарядовим зв’язком (ПЗЗ) у фокальній площині цього об’єктиву, знайшли широке застосування у різноманітній техніці. Перевагою подібних систем є можливість координатного зчитування оптичного зображення спроектованого об’єктивом на ПЗЗ - гратку.

Пошук максимально простої системи дистанційного визначення координат вимірювального перетворювача дефектоскопу привів нас до використання оптичних систем з фотоприймачем у вигляді двохмірної гратки, що дістала назву «прилад з зарядовим зв’язком» [1]. Нами була використана найпростіша оптична система на основі ПЗЗ – цифрова відеокамера, основним призначенням яких є відтворення в реальному масштабі часу оптичного зображення в різноманітних системах. В подібних камерах двомірна ПЗЗ має дискретність 100 і більше пікселів (елементів) на 1 мм.

Розроблена система визначення координат може використовувати всього одну матрицю ПЗЗ [2]. Просторове положення вимірювального перетворювача в межах просторового кута прийому світла точкового джерела (світлодіоду з широкою діаграмою направленості), що встановлюється на корпусі вимірювального перетворювача дефектоскопу, можемо визначити з допомогою однієї цифрової відеокамери встановленої в площині паралельній базовій площини (Рис.1.1).

Рис.1.1. Визначення просторових координат вимірювального перетворювача

за допомогою оптичної камери з ПЗЗ матрицею.

1 – матриця ПЗЗ, 2 – оптична проекція точкового джерела світла, яке розташоване на корпусі вимірювального перетворювача, 3 – координати центру оптичної проекції (a – вертикальна, b – горизонтальна), 4 – об’єктив,

5 – вимірювальний перетворювач дефектоскопу, Н – висота оптичної системи над поверхнею сканування.

Об’єктив цифрової відеокамери має коротку фокусну відстань F в напрямку фотоприймача та довгу фокусну відстань = (1 -1,5) м зі сторони прийому випромінювань – в нашому випадку випромінювання точкового джерела світла світлодіоду. Якщо відстань до цього випромінювача рівна фокусній відстані, зображення світла згаданого випромінювача на полі двомірної ПЗЗ цифрової відеокамери буде мати найменший діаметр d. При відстані до вимірювального перетворювача меншій за фокусну відстань, діаметр зображення точкового джерела світла зростає до значення [3, 4]. Таким чином відстань від джерела світла на корпусі вимірювального перетворювача до об’єктиву становить:

. (1.1)

Використовуючи визначене за (1.1) значення відстані D від джерела світла до центру лінзи об’єктиву можемо скласти рівняння для визначення координат джерела світла, якщо об’єктив оптичної камери і ПЗЗ матриця розташовані в площині системи відліку координат на висоті над площиною .

Виходячи з рис. 1.1., відстань між точковим джерелом світла на корпусі вимірювального перетворювача і положенням оптичної системи над площиною координат можемо знайти з наступного співвідношення:

. (1.2)

Виходячи з (1.1) та (1.2) значення становить:

. (1.3)

Значення дає можливість визначити координату вимірювального перетворювача з урахуванням геометричним даним рис.1.1:

. (1.4)

Координати вимірювального перетворювача знайдемо враховуючи відстань (1.1) та координати центру оптичної проекції а і b на ПЗЗ матриці:

(1.5)

При розташуванні ПЗЗ матриці в площині паралельній та на певній висоті відносно площини використовується лише одна чверть площини матриці. Доцільно було б розвернути площину ПЗЗ матриці на певний кут по відношенню до осей координат. При такому положенні матриці і об’єктиву камери працювала б більша частина матриці, але алгоритми розрахунків координат були б дещо ускладненими.

Загальним недоліком розглянутої системи визначення координат вимірювального перетворювача є низька точність визначення відстані до точкового джерела світла D. Реально при дискретності ПЗЗ-гратки у 100 пікселів на 1 мм ця похибка може становити до 0,5 мм при відстані D .

Література:

1. Давыдов В. Н. Фотоэлектрические МДП-структуры из узкозонных полупроводников / А. В. Войцеховский, В. Н. Давыдов. – Томск: Радио и связь, 1990. – 158 с.

2. Сєрий К.М. Безконтактне визначення координат вимірювального перетворювача дефектоскопу у процесі контролю / С.М. Маєвський, К.М. Сєрий //Вісник Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут». Збірник наукових праць. Тематичний випуск: Прилади та методи неруйнівного контролю. – Харків: НТУ «ХПІ» - №14.- 2009.- С. 3-10.

3. Якушенков Ю. Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов / Ю. Г. Якушенков. – М.: Машиностроение, 1989. – 189 с.

4. Ярославский Л. П. Цифровая обработка сигналов в оптике и голографии: введение в цифровую оптику / Л. П. Ярославский. – М.: Радио и связь, 1987. - 280 с.