Бесконтактные измерения. Бесконтактные методы измерения температуры: преимущества и технологии

Какие существуют бесконтактные методы измерения температуры. Как работают пирометры и тепловизоры. В чем преимущества бесконтактных измерений температуры. Где применяются бесконтактные измерения температуры.

Бесконтактные методы измерения температуры: принцип работы

Бесконтактные методы измерения температуры основаны на регистрации теплового излучения от объекта. Все тела с температурой выше абсолютного нуля (-273°C) излучают электромагнитные волны в инфракрасном диапазоне. Чем выше температура тела, тем интенсивнее его тепловое излучение.

Основными приборами для бесконтактного измерения температуры являются:

• Пирометры — измеряют температуру в отдельной точке или небольшой области
• Тепловизоры — позволяют получить тепловое изображение всего объекта

Принцип действия этих приборов заключается в улавливании и анализе инфракрасного излучения от объекта с помощью специальных датчиков. На основе интенсивности излучения определяется температура поверхности.

Преимущества бесконтактных измерений температуры

Бесконтактные методы имеют ряд важных преимуществ по сравнению с контактными измерениями:

• Возможность измерять температуру движущихся объектов
• Измерение температуры в труднодоступных местах
• Отсутствие влияния на температуру измеряемого объекта
• Высокое быстродействие (до 1 мс)
• Возможность автоматизации процесса измерений
• Безопасность при измерении высоких температур

Благодаря этим преимуществам бесконтактные методы находят все более широкое применение в различных отраслях.

Особенности работы пирометров

Пирометры позволяют измерять температуру в отдельной точке или небольшой области объекта. Основные типы пирометров:

• Оптические пирометры — сравнивают яркость объекта с яркостью эталонной нити накаливания
• Радиационные пирометры — измеряют мощность теплового излучения
• Цветовые пирометры — анализируют спектральный состав излучения

Современные пирометры оснащаются лазерным целеуказателем для точного наведения на объект. Диапазон измеряемых температур может составлять от -50°C до +3000°C и выше.

Принцип работы тепловизоров

Тепловизоры позволяют получить тепловое изображение всего объекта или его части. Принцип их работы заключается в следующем:

1. Инфракрасное излучение от объекта фокусируется оптической системой
2. Сфокусированное излучение попадает на матрицу чувствительных элементов
3. Сигналы с матрицы преобразуются в цифровой вид
4. Формируется тепловое изображение объекта на дисплее

Современные тепловизоры позволяют получать четкие тепловые изображения с разрешением до 640×480 пикселей. Диапазон измеряемых температур обычно составляет от -20°C до +1500°C.

Области применения бесконтактных измерений температуры

Бесконтактные методы измерения температуры применяются в самых разных областях:

• Энергетика — контроль состояния электрооборудования
• Строительство — выявление теплопотерь в зданиях
• Металлургия — контроль температуры расплавов
• Машиностроение — диагностика двигателей и механизмов
• Пищевая промышленность — контроль технологических процессов
• Медицина — диагностика заболеваний
• Пожарная безопасность — обнаружение очагов возгорания

Широкое распространение бесконтактных методов обусловлено их универсальностью и удобством применения.

Факторы, влияющие на точность бесконтактных измерений

На точность бесконтактных измерений температуры могут влиять следующие факторы:

• Коэффициент излучения поверхности объекта
• Отражение излучения от посторонних источников
• Поглощение излучения в атмосфере
• Размер измеряемого объекта
• Расстояние до объекта
• Угол наблюдения

Для повышения точности измерений необходимо учитывать эти факторы и правильно настраивать измерительные приборы. Важно также соблюдать методику проведения измерений.

Перспективы развития бесконтактной термометрии

Основные направления развития бесконтактных методов измерения температуры:

• Повышение разрешающей способности тепловизоров
• Расширение диапазона измеряемых температур
• Уменьшение погрешности измерений
• Создание многоспектральных систем
• Разработка новых алгоритмов обработки тепловых изображений
• Миниатюризация приборов

Развитие технологий позволит расширить возможности бесконтактной термометрии и области ее применения.

Выбор оборудования для бесконтактных измерений температуры

При выборе оборудования для бесконтактных измерений температуры следует учитывать следующие факторы:

• Диапазон измеряемых температур
• Требуемая точность измерений
• Быстродействие прибора
• Размер измеряемых объектов
• Условия эксплуатации
• Возможность автоматизации измерений
• Стоимость оборудования

Правильный выбор измерительного прибора позволит получить наиболее точные результаты при решении конкретных задач.

Бесконтактный метод измерения температуры — Компания MVR

С развитием и удешевлением средств бесконтактного контроля температуры бесконтактный метод измерения температуры находит все большее применение при решении самых разных задач. К примеру, бесконтактный метод измерения температуры позволяет определить температуру движущихся объектов или объектов, расположенных в труднодоступных местах. Также бесконтактный метод измерения температуры не имеет альтернативы в гигиенических приложениях, не допускающих внесения загрязнений средством измерения, а также в случае измерений температуры объектов с малой теплоемкостью, когда контакт с прибором неизбежно приведет к искажению температуры объекта. И наконец, бесконтактный метод измерения температуры предпочтительней использовать в процессах, опасных для жизни персонала (высокое напряжение, расплавленный металл, агрессивные среды и др.).

Бесконтактный метод измерения температуры реализуется с помощью пирометров и  тепловизоров. Действие пирометров и тепловизоров основано на свойстве всех окружающих нас объектов с температурой выше абсолютного нуля (-273°С) испускать тепловое излучение в непрерывном инфракрасном диапазоне длин волн, и зависимости мощности данного излучения от четвертой степени температуры поверхности излучающего объекта.

И пирометры, и тепловизоры воспринимают ИК-излучение от объекта в пределах поля зрения объектива, и выдают на дисплей численное значение температуры, соответствующей энергии, поглощенной их микроболометрами (фотодатчиками). Но если пирометры выдают усредненную температуру круговой зоны, ограниченной полем зрения объектива, то тепловизоры выдают обобщенную информацию — тепловую картину некоторой области и каждое значение температуры «точки», размер которой равен или больше размера элементарной ячейки поля зрения тепловизора.

Таким образом, тепловизоры, будучи значительно дороже по цене по сравнению с пирометрами, полностью оправдывают свою высокую стоимость существенно более полной диагностической информацией.

Неоспоримыми преимуществами пирометров и тепловизоров по сравнению с традиционными контактными термометрами различного типа являются:

• высокое быстродействие (до 1 мс), необходимое для контроля температуры быстропротекающих процессов;
• отсутствие необходимости в отключении оборудования или остановки процесса, что позволяет выявить дефекты, обнаруживающие себя только при работающем оборудовании или естественном течении процесса.

 

Отметив преимущества пирометров и тепловизоров, следует указать и на их относительные недостатки, а именно зависимость точности измерений от:

• расстояния съемки;
• отражательных свойств исследуемой поверхности;
• побочных излучений, прямо не попадающих в объектив приборов.

Названные причины ухудшения точности измерений нивелируются правильным выбором  расстоянии съемки с учетом разрешения, а также настройками приборов. Иначе говоря, бесконтактный метод измерения температуры требует определенной квалификации оператора, которую можно получить, пройдя обучение на курсе «Термография и пирометрия», который периодически проводится в виде учебных семинаров в нашей компании.

Если бесконтактный метод измерения температуры является оптимальным для ваших целей, то компания MVR предлагает вашему вниманию лучшие в своем сегменте:

• пирометры RY-150 (диапазон измерения от -20°C до +500°C),
• тепловизоры RY-107, RY-112, RY-120, RY-123, RY-127, RY-134, RY-138, RY-147

Если же приобретение пирометра или тепловизора не входит в ваши планы, то в компании MVR вы можете воспользоваться арендой пирометра или тепловизора. А в случае сложных задач, требующих высокой квалификации оператора, рекомендуем вам воспользоваться услугами Отдела Выездного Обслуживания и Энергосервиса (ОВОЭ), имеющего аккредитацию лаборатории по термографии и тепловизионной диагностике.

 

Контактные и бесконтактные методы измерения параметров пористого кремния | Латухина

1. Зимин С. П. Классификация электрических свойств пористого кремния // ФТП. 2000. Т. 34, Вып. 3. С. 359—363.

2. Bisi S., Ossicini S., Pavesi L. Porous silicon: a quantum sponge structure for silicon based optoelectronics // Surf. Sci. Rep. 2000. V. 38, N 1–3. P. l—126. DOI: 10.1016/S0167-5729(99)00012-6

3. Зимин С. П. Прыжковая проводимость в мезапористом кремнии с малой пористостью, сформированном на р+-Si‹B› // ФТП. 2006. Т. 40, Вып. 11. С. 1385—13871.

4. Сакун Е. А., Полюшкевич А. В., Харлашин П. А., Семенова О. В., Корец А. Я. Разработка пористых структур на кремнии // J. Siberian Federal University. Engineering&Technologies. 2010. Т. 4, № 3. С. 430—443.

5. Тыныштыкбаев К. Б., Рябикин Ю. А., Токмолдин С. Ж., Айтмукан Т., Ракыметов Б. А., Верменичев Р. Б. Морфология пористого кремния при длительном анодном травлении в электролите с внутренним источником тока // Письма в ЖТФ. 2010. Т. 36, Вып. 11. С. 104—110.

6. Горячев Д. Н., Беляков Л. В, Сресели О. М. О механизме образования пористого кремния // ФТП. 2000. Т. 34, Вып. 9. C. 1130—1134.

7. Бучин Э. Ю., Проказников А. В. Характер динамики системы электролит кремний n-типа при анодировании в растворах плавиковой кислоты // Письма в ЖТФ. 1997. Т. 23, № 5. С. 1—7.

8. Можаев А. В., Проказников А. В. Тимофеев В. В. Динамическая дискретная трехмерная модель порообразования в кремнии // Исследовано в России. URL: http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2006/069

9. Xiaoge Gregory Zhang. Electrochemistry of Silicon and Its Oxide. N. Y.; Boston; Dordrecht; London; Moscow: Kluwer Academic Publishers, 2004, 510 p.

10. Allongue P., Kieling V. , Gerischer H. Etching mechanism and atomic structure of H-Si(111) surfaces prepared in Nh5F // Electrochim. Acta. 1995. V. 40, N 10. P. 1353—1360. DOI: 10.1016/0013-4686(95)00071-L

11. Трегулов В. В. Пористый кремний: технология, свойства, применение. Рязань: РГУ им. С. А. Есенина, 2011. C. 24.

12. Улин В. П., Улин Н. В., Солдатенков Ф. Ю. Анодные процессы в условиях химического и электрохимического травления кристаллов кремния в кислых фторидных растворах. Механизм порообразования // ФТП. 2017. Т. 51, Вып. 4. С. 481—496. DOI: 10.21883/FTP.2017.04.44340.8393

13. Улин В. П., Конников С. Г. Природа процессов электрохимического порообразования в кристаллах AIIIBV // ФТП. 2007. Т. 41, Вып. 7. С. 854—866.

14. Кунакбаев Т. Ж., Тукубаев Э. Э. Моделирование получения пористого кремния на атомном уровне / Хаос и структуры в нелинейных системах. Теория и эксперемент. Междун. научно-практ. конференция. 2015. № 1. С. 171—176. URL: http://portal.kazntu.kz/files/publicate/2015-10-26-elbib_11. pdf

15. Пискажова Т. В., Савенкова Н. П., Анпилов С. В., Калмыков А. В., Зайцев Ф. С., Аникеев Ф. А. Трехмерное математическое моделирование динамики границы раздела сред алюминия, электролита и зоны обратного окисления металла в зависимости от распределения потенциала // J. Siberian Federal University. Engineering&Technologies. 2017. Т. 10, № 1. С. 59—73. DOI: 10.17516/1999-494X-2017-10-1-59-73

16. Городецкий А. Е., Тарасова И. Л. Компьютерное моделирование процесса формирования пористого кремния // Матем. моделирование. 2008. Т. 20, № 2. С. 105—112.

17. Латухина Н. В., Дереглазова Т. С., Ивков С. В., Волков А. В., Деева В. А. Фотоэлектрические свойства структур с микро- и нано-пористым кремнием // Известия Самарского научного центра РАН. 2009. Т. 11, № 3. С. 66—70. URL: http://www.ssc.smr.ru/media/journals/izvestia/2009/2009_3_66_70.pdf

18. Анфимов И. М., Кобелева С. П., Щемеров И. В. Установка для измерения удельного электросопротивления бесконтактным СВЧ методом // Материалы I международной конф. «Актуальные проблемы прикладной физики 2012». Севастополь, 2012. С. 82—83.

19. Lizunkova D., Latukhina N., Chepurnov V., Paranin V. Nanocrystalline silicon and silicon carbide optical properties // Proc. International conference Information Technology and Nanotechnology. Session Computer Optics and Nanophotonics. Samara (Russia), 2017. V. 1900. P. 84—89. DOI: 10.18287/1613-0073-2017-1900-84-89

Общепринятые бесконтактные измерительные устройства и методы

Бесконтактные или бесконтактные измерительные устройства — это современная новинка в ряду традиционно используемых контактных устройств. Контактные устройства обсуждаются по этой ссылке в общих контактных измерительных устройствах. Все бесконтактные устройства генерируют набор данных в виде облака точек или вокселей в качестве самой необработанной формы данных. Исключением является оптический компаратор, который существует с конца 1920-х годов. Он не производит явно цифровые данные, но некоторые варианты оборудования, которые произошли от этого оборудования, производят.

Бесконтактные сканеры делятся на несколько основных категорий: оптический компаратор, системы технического зрения, компьютерная томография, фотограмметрия, сканеры дальнего действия, лазер, структурированный свет, лазерный радар и CFS. Могут быть и другие категории; однако они составляют львиную долю трехмерных технологий, которые широко используются (или скоро будут широко использоваться). Все они создают облака точек, наборы воксельных данных и/или STL (полигональная модель, основанная на миллионах крошечных треугольников). На изображении ниже показаны 3 изображения рыболовной приманки STL.

РИСУНОК 1: Изображения STL для рыболовной приманки

Их основные преимущества заключаются в огромном количестве данных, которые они могут собрать за короткое время, и в их бесконтактном методе сбора данных. Как правило, они менее точны, чем контактные измерительные устройства, но ненамного. Поскольку они собирают большую часть поверхности по сравнению с контактными методами измерения, они могут захватывать очень сложные поверхности, которые в настоящее время встроены в продукты (лопасти турбин, медицинские инструменты, автомобили).

Это общий обзор, чтобы дать вам представление о том, как поставщик услуг может выбрать, какое оборудование использовать для вашего проекта. Большинству не повезло иметь так много различных типов оборудования, но те, у кого они есть, могут более эффективно обслуживать своих клиентов и использовать оборудование, наиболее подходящее для любого конкретного применения. У 3D Engineering Solutions есть все эти типы устройств (кроме Laser Radar — он у меня в хотелках).

 

Оптический компаратор

РИСУНОК 2. Оптический компаратор

Хотя оптический компаратор не дает облака точек, как это делают большинство других бесконтактных технологий, это проверенный и надежный метод сбора точной информации о сложных деталях. Его также называют «теневым графом», что описательно говорит о том, как он работает. Свет освещается перед или позади объекта, и этот свет направляется через увеличительную линзу на экран. Затем черно-белое изображение, созданное тенями, можно измерить, перемещая деталь на сцене через различные шпиндели. Шпиндели перемещают предметный столик, который прикреплен к одномерным измерительным устройствам и считывается либо непосредственно на штангенциркуле, либо косвенно через энкодеры. Прозрачные пленки могут быть размещены на экране устройств. Они соответствуют спецификациям печати, и эти размеры и профили можно быстро проверить на соответствие этим спецификациям. Самая близкая современная версия к компаратору — это система технического зрения, обсуждаемая далее. Хотя используемый здесь принцип увеличения используется в промышленном КТ-сканировании, как описано ниже. Это лучше всего использовать для просмотра профилей небольших строго контролируемых функций, таких как потоки. Точность может быть очень высокой в ​​зависимости от используемой единицы измерения и увеличения.

Система технического зрения

РИСУНОК 3. Система технического зрения

Существует множество разновидностей систем технического зрения, но в целом они работают по одному и тому же принципу. Подобно оптическим компараторам, они освещают объект и творчески увеличивают его, чтобы были видны четкие края и поверхности. Эти данные могут быть оцифрованы в облако точек, представляющее эти края и поверхности. Многие из них имеют серию оптики, которая обеспечивает различные уровни оптического увеличения. Это особенно полезно для очень маленьких деталей, которые трудно измерить другими инструментами. Точно так же, если на детали есть небольшое количество грязи, она также будет увеличена и добавит ошибки в данные. Системы не знают, является ли грязь реальной частью объекта или нет. Наша система Zeiss на самом деле имеет 3 различных метода сбора данных (зондирование, визуальное наблюдение и CFS — мультисенсорная система технического зрения). Это делает его универсальным инструментом для сложных проектов. Многие системы продаются только с функцией технического зрения и отлично подходят для производственных сред, где для многих деталей требуется только один тип измерения. Программное обеспечение, поставляемое с этими системами, имеет сложные алгоритмы для исключения областей, где на детали есть грязь или мусор. Эти системы идеально подходят для плоских двухмерных деталей. Некоторые даже хвастаются полной характеристикой (измерением всех размеров печати) таких деталей за несколько секунд каждая! Эти системы также можно использовать для оценки трехмерных расстояний, поскольку они могут использовать свою способность автофокусировки для определения высоты. Их точность зависит от их диапазонов увеличения, плоскостности или низкого искажения оптических полей (это ключевой параметр для этих устройств) и оборудования для позиционирования XY, к которому они прикреплены (если таковое имеется). Наша система технического зрения является частью мультисенсорной КИМ и имеет погрешность измерений от 1,2 до 30 микрон в зависимости от используемого увеличения. Наша система также имеет дополнительную функцию встроенного поворотного столика, который позволяет вращать деталь для сбора данных с других сторон, сохраняя при этом правильное выравнивание и систему координат.

Пользователь сам решает, насколько плотными должны быть данные на любом конкретном краю, видимом системой машинного зрения. Это так же просто, как указать «x» тысяч точек при создании этих функций (чем больше данных, тем лучше). Поскольку современные версии этих систем для КИМ являются программируемыми, многие детали можно быстро измерить после настройки программы КИМ.

Эти системы идеально подходят для высокоточных инспекционных работ.

Промышленный ТТ

РИСУНОК 4: Промышленные КТ-сканеры

КТ-сканеры добились больших успехов с момента их создания и первоначального использования в медицинских целях. Медицинский компьютерный томограф может работать в диапазоне 60–80 кВ. Промышленные компьютерные томографы обычно имеют напряжение от 160 кВ до 600 кВ. Поскольку машинам CT часто приходится измерять плотные металлические детали, требуется более высокая мощность. Современный вариант также имеет гораздо более высокое разрешение, чем медицинская компьютерная томография. Современные промышленные компьютерные томографы могут включать в себя энкодеры метрологического класса, камеры с регулируемой температурой, массивные и стабильные манипуляторы/столы и калиброванные лазером расстояния от источника до детектора. Они больше не предназначены только для создания красивых изображений внутренней части чего-либо.

Хотя могут быть построены более мощные специализированные блоки (я слышал о машинах на 10 МэВ), они, как правило, являются уникальными и единственными в своем роде машинами, которые не имеют OEM-поддержки в случае возникновения проблем. В нашем сервисном бизнесе мы выбираем OEM-оборудование от стабильных, надежных и известных компаний, чтобы обеспечить время безотказной работы нашего оборудования для обслуживания наших клиентов. У нас есть 4 КТ-сканера, купленных у Nikon, и если они выйдут из строя, у нас будет поддержка на следующий день! Это на самом деле быстрее, чем у некоторых из нашего менее дорогого оборудования — Превосходно.

Каждый компьютерный томограф представляет собой цифровой рентгеновский аппарат, способный создавать тысячи рентгеновских снимков объекта, а затем реконструировать их в трехмерный объем, называемый набором данных вокселей. В отличие от точки в облаке точек, воксель представляет собой фактический кубический объем, который представляет размер, положение и относительную плотность (способность ослаблять рентгеновские лучи). Набор данных вокселей содержит миллионы вокселей. Это чрезвычайно полезно при обнаружении дефектов внутри материалов или в скрытых каналах или других областях с препятствиями, которые не могут быть обнаружены другими методами. Другие методы, основанные на освещении, требуют, чтобы камера видела источник света для захвата данных (имела прямую видимость). Хотя технически это верно для КТ, поскольку рентгеновские лучи проходят через объекты, ограничение прямой видимости снимается. Я говорю технически верно, потому что рентгеновские лучи — это фотоны = свет. Эта технология является современной вершиной технологии сбора пространственных данных для труднодоступных мест. Из-за появления компьютерных томографов метрологического класса и способности компьютерной томографии преодолевать проблемы, связанные с прямой видимостью, менеджеры по качеству запрашивают данные о своей продукции у компьютерной томографии для использования при контроле первого изделия.

Наряду с преимуществом, заключающимся в возможности видеть сквозь детали и сборки, у них есть недостаток, заключающийся в том, что иногда данные зашумлены. Рентгеновские лучи могут отражаться и вызывать искажение данных (подобные явления наблюдаются в других типах сканеров). Если детали очень толстые или имеют высокую плотность, этот эффект усиливается, так как для проникновения требуется больше мощности. Чтобы уменьшить некоторые шумы, наблюдаемые при КТ-сканировании на основе панели (панель — это просто чувствительный к рентгеновскому излучению экран, аналогичный вашему монитору), используются детекторы LDA или CLDA (изогнутая линейная диодная матрица). Эти детекторы принимают только одну строку данных за раз. Таким образом, если рентгеновские лучи рассеиваются или отражаются, этот свет, скорее всего, упадет выше или ниже строки данных, а не в другую строку данных. Для аналогичного места на скане панели отправка случайного рентгеновского снимка выше или ниже этой линии вызовет шум для других линий на скане. Хотя данные LDA/CLDA менее зашумлены, они также намного медленнее. Для сравнения рассмотрим наши рентгеновские панели размером 2000 строк на 2000 столбцов относительно одной строки данных. Мне нужно сканировать 2000 раз, чтобы получить то, что я могу с одного сканирования панели!

Точность данных компьютерной томографии зависит от эффективного размера вокселя. Чем меньше часть, которую вы должны измерить, тем более точные данные вы увидите (до определенного момента). Это связано с принципом увеличения. Мы измеряем погрешности для наших сканеров метрологического уровня около 9-10 микрон. Время сканирования может составлять от 3 минут до 180 часов! Оборудование довольно дорогое и требует хорошо обученного персонала. Наш персонал в 3D Engineering Solutions прошел перекрестное обучение каждой технологии, которой мы владеем, и отвечает этим требованиям.

Фотограмметрия

РИСУНОК 5: Набор для фотограмметрии. Высококачественная цифровая камера с объективом с фиксированным фокусным расстоянием и шкалой.

Фотограмметрия выполняется с использованием цифровых камер. Изображения берутся с разных ракурсов объекта, и каждый пиксель в основном сшивается вместе, чтобы сформировать облако точек на основе относительных положений пикселей в связанных изображениях. Эти камеры могут быть как камерами очень высокого класса с дорогими объективами с фиксированным фокусным расстоянием, так и камерами мобильных телефонов. Программное обеспечение используется для объединения изображений и создания облака точек. Лучшие камеры/объективы производят более точные изображения. Камеры с более высоким разрешением могут создавать изображения с более высоким разрешением (больше точек). Использование массива камер полезно для съемки людей, которые склонны двигаться, или просто для более быстрого сбора данных. Добавление масштабных полос к сцене перед ее фотографированием позволяет выполнить калибровку масштаба облака точек. Популярным способом является использование камеры дрона для захвата данных о крупных объектах для создания облака точек.

Преимущество этого метода заключается в том, что вы часто получаете информацию о цвете из изображений, которую можно использовать в качестве «текстуры» для облака точек или файла STL. Условно говоря, собранные данные имеют низкое разрешение и точность. Однако для больших сооружений (например, зданий, глубоких ям, больших куч минералов или холмов) это не проблема. Для более высокой точности и разрешения вам понадобится лазерный сканер дальнего действия.

Дальний радиус действия

РИСУНОК 6: Сканер дальнего действия на месте

Лазерные сканеры дальнего действия, как следует из названия, собирают облака точек с больших расстояний (обычно называемые лидарами). Наши клиенты для этой технологии, как правило, на рынке AEC (Архитектура, гражданское строительство и строительство). Хотя мы использовали сканирование дальнего действия для многих других клиентов. Наиболее точные из них ограничены радиальным диапазоном от 350 м (1/5 мили) до 1000 м (5/8 мили) в одной настройке (вы комбинируете несколько сканирований, чтобы получить большие площади). Самый быстрый может сканировать со скоростью до 1 миллиона точек в секунду с точностью до миллиметра. Другие собирают меньше данных и имеют точность в сантиметровом диапазоне. Эти сканеры можно сконфигурировать и установить на автомобили/грузовики или самолеты. Однако наилучшая точность наблюдается у наземных сканеров. Каждый сканер сканирует по сферическому образцу. Таким образом, точки в крайнем диапазоне более разрежены, чем точки, расположенные близко к местоположению сканера. На рис. 6.1 показана эта концепция. Облако точек намного плотнее рядом со штативом (черный овал возле центра изображения) и становится менее плотным по мере удаления от него (лучше всего видно на левой стороне изображения).

РИСУНОК 6.1: Изображение облака точек дальнего действия участка моста

РИСУНОК 6.2: Изображение сферических и плоских лидарных целей

Каждое сканирование связано с другими сканированиями несколькими способами с помощью программного обеспечения. Можно использовать мишени (РИСУНОК 6.2), которые обычно представляют собой 2D-мишени или 3D-сферы. Идея состоит в том, чтобы несколько целей (в идеале более 3) в каждом сканировании перекрывались со следующим сканированием. Это помогает установить общую систему координат. Поскольку наборы данных сканирования большие (имеют очень большое количество точек), разумно иметь более мощный компьютер для помощи в обработке. Данные, получаемые при сканировании на большие расстояния, имеют тенденцию быть более «зашумленными», чем данные лазерных сканеров на коротких расстояниях. Поэтому, если бы вы посмотрели на плоскую поверхность, отсканированную сканером дальнего действия, и сравнили ее с лазерным сканером ближнего действия, вы бы заметили большее рассеяние от этой плоскости.

Лазер

РИСУНОК 7: Лазерный сканер ближнего действия на PCMM

Лазерные сканеры ближнего действия используют невидимый свет и камеру для создания облаков точек. Обычно это линейные сканеры (они сканируют рядами множество отдельных точек). Лазер расположен под углом к ​​камере и разделен на множество точек, которые сканируют с высокой скоростью, создавая облако точек. Количество и скорость варьируются, но некоторые типичные значения составляют 2000 точек на строчное сканирование x 280 кадров в секунду с частотой сканирования. Больше точек в секунду не обязательно лучше — общая точность. Иногда наличие такого большого количества данных (560 тысяч точек в секунду в моем примере) является помехой. Облако точек становится слишком плотным, а данные труднее обрабатывать эффективно. Однако это можно смягчить, покрыв большую площадь за то же время или уменьшив количество точек, набранных в программном обеспечении. Точность самого сканера обычно находится в диапазоне 0,001 дюйма. Однако вы должны связать это с устройством, которое удерживает сканер. В портативных координатно-измерительных машинах (ИКММ) на измерительной руке, управляемой человеком, установлен сканер. Эти руки имеют несколько соединений, в каждом из которых есть стеклянные энкодеры, используемые для расчета углов для определения местоположения точек. Обычно для этого используется 6-7 энкодеров. В стационарной КИМ (неподвижной) обычно используется только 3 энкодера. Таким образом, количество ошибок от лазера, прикрепленного к стационарной КИМ, как правило, будет намного ниже. Как стационарные, так и переносные лазеры, установленные на КИМ, имеют проблему с разрешением, которая может представлять или не представлять проблему. По мере приближения сканера к поверхности точки становятся ближе друг к другу, и наоборот. Таким образом, поверхности с контурами будут иметь неравномерное расстояние между точками. Если вы повернете сканер во время сканирования, вы также получите переменный «веерный» узор на скане. Проблема не в точности, а в большем количестве точек между точками (разрешение). Скорость, с которой вы перемещаете эти линейные сканеры, также определяет расстояние между точками. Портативные лазерные сканеры КИМ имеют более низкую точность, чем стационарные лазерные сканеры КИМ.

Существуют также лазерные сканеры, использующие другие средства для выравнивания данных облака точек. В одном используются цели, установленные на ручном лазере, которые считываются с помощью сенсорной планки, установленной на расстоянии. Как правило, они будут иметь более низкую предельную точность, чем лазеры на манипуляторе и лазеры на стационарных КИМ, но предлагают большую гибкость и свободу при сборе данных.

Область сканирования — еще один параметр, который необходимо учитывать. КИМ с фиксированной базой точно ограничены в своих объемах сканирования до объема, немного меньшего, чем их объемы измерения. ИКММ на основе руки могут сканировать неограниченный объем, но ошибка сканирования увеличивается с каждым необходимым «переходом» (перемещением портативной руки между измерениями для больших объемов). Привязанные ручные лазерные сканеры, в которых используется сенсорная планка, установленная на расстоянии, также ограничены, но их можно заставить сканировать гораздо большие площади (они должны находиться в прямой видимости со своими сенсорными планками). Тот, который подходит для вашего проекта, зависит от ваших конкретных требований. Наши инженеры здесь являются экспертами в выборе правильного оборудования для работы.

Структурированный свет

РИСУНОК 8: Сканер структурированного света с синим светом

Этот метод бесконтактного сбора данных структурированного света использует проецируемый световой узор, который считывается камерой. Узор обычно варьируется от вертикальных и горизонтальных полос до случайного рисунка, который выглядит как статические помехи от старых телевизоров. Эти шаблоны либо являются статическими изображениями, либо перемещаются/изменяются по всему изображению и проецируются на измеряемые поверхности. Каждое снятое с камеры изображение затем интерпретируется, и из них создается подмножество облака точек. Затем каждое подмножество выравнивается с другими подмножествами одним из нескольких способов.

РИСУНОК 8.1: Наклейки-мишени

Некоторые системы автоматически выравнивают сканы друг с другом, используя геометрию (соответствие геометрии) детали для облегчения выравнивания. По сути, они пытаются наилучшим образом подогнать новые данные сканирования к существующим, а затем повторяют выравнивание до тех пор, пока не будет достигнуто наилучшее соответствие. Некоторым в этом помогает выбор пользователем соответствующих точек на компьютере между новым набором данных и существующими данными сканирования. Другой основной способ — использовать кодированные или некодированные цели для выравнивания данных. Незакодированные мишени представляют собой небольшие наклейки, которые обычно имеют белый центр и черную рамку (РИСУНОК 8.1). Система знает их размер и может рассчитать центры, чтобы установить точки, на которых будет основываться выравнивание. Некоторое программное обеспечение позволяет автоматически заполнять область под целевыми наклейками данными во время постобработки путем экстраполяции данных вокруг наклейки (обычно неплохое предположение). Однако в некоторых проектах не допускается контакт с мишенями-наклейками, и необходимо использовать метод сопоставления геометрии.

Если сканируются большие площади, можно использовать кодированные (пронумерованные) цели, чтобы помочь настроить структуру некодированных целей. Система, которая у нас есть, использует для этого фотограмметрию. Камера высокого класса с очень хорошим объективом с фиксированным фокусным расстоянием сочетается с артефактами измерения, которые помещаются в сцену для масштабирования. Все закодированные и незакодированные мишени размещаются вокруг большого объекта (например, автомобиля), и их изображения снимаются с помощью камеры. Эти данные загружаются в программное обеспечение, которое настраивает структуру для сканирования меньших участков. Затем закодированные мишени можно удалить и сделать снимки сцены, полной некодированных мишеней. Погрешность этой установки примерно равна погрешности фотограмметрии, которая для крупных объектов относительно невелика (тысячные доли дюйма). Эта форма фотограмметрии намного точнее, чем более общая форма, описанная выше.

Вам нужно как минимум 3 (а лучше больше) незакодированных мишени на каждом изображении объекта. Эти минимальные 3 цели затем уменьшаются программным обеспечением до отдельных трехмерных точек в пространстве. Поскольку для создания системы координат достаточно трех 3D-точек, сканы можно совмещать друг с другом. Это тот же принцип, который наблюдается при использовании инструментальных шариков в производстве приспособлений. У лучших приспособлений есть 3 инструментальных шарика, которые устанавливают систему координат. Наличие большего количества незакодированных целей на изображении полезно и позволяет лучше усреднить/наилучшую подгонку наборов данных. Это также является хорошей практикой, если некоторые из этих наклеек оторвутся от измеряемого объекта. Это просто наклейки, и иногда они плохо приклеиваются (особенно если поверхность жирная или грязная).

Необработанные данные, собранные Structured Light Systems, представляют собой облако точек. Некоторые системы обрабатывают эти данные внутри себя и позволяют извлечь только STL. Они выполняют некоторое внутреннее усреднение, чтобы поверхность выглядела более гладкой, чем исходные данные. Другие дают вам необработанное облако точек (или только слегка модифицированное) или дают его вам в качестве опции. Будь осторожен. Некоторые системы создают STL автоматически, и если вы решите экспортировать «облако точек», вам не будет предоставлено необработанное облако точек, используемое для создания STL, а будет создано облако точек на основе углов каждого треугольника STL. Это не то же самое. В большинстве программ точки облака точек заменяются другими «усредненными» точками, которые используются для генерации STL. Это добавляет некоторую ошибку, но делает облако точек более гладким и усредняет типичный «размытый вид», наблюдаемый в необработанных облаках точек.

Поскольку данные генерируются с использованием изображений с камеры, разрешение (количество точек на квадратный дюйм) очень плотное и регулярное по сравнению, например, с лазерным сканированием. Эти данные лучше всего использовать для сложных проектов обратного проектирования из-за регулярности данных. Некоторое время OEM-производители структурированного света пытались превзойти самих себя, выпуская все более и более мегапиксельные камеры для увеличения разрешения. Большую часть времени это чрезвычайно большое количество мегапикселей не требуется и является препятствием для вычислений, а соответствующие наборы данных становятся настолько тяжелыми, что только самые мощные компьютеры позволяют легко обрабатывать данные.

Сканирование белого света и сканирование синим светом Структурированные световые системы являются наиболее распространенными типами. Некоторые другие интегрируют данные о цвете, чтобы показать текстуру, а один фактически был создан на короткое время на основе данных лазера, а не белого или синего света. Те, кто использует сканирование в белом свете, обычно пытаются убрать все окружающее освещение во время сканирования. Это помогает сохранить контраст изображения. Некоторые доходят до того, что красят стены в черный цвет, чтобы предотвратить вторжение рассеянного света в процесс сканирования. Системы синего света используют фильтр на камере, чтобы блокировать все частоты, кроме узкой полосы синего света, которую она использует. Это позволяет этим системам практически не зависеть от рассеянного света. Мы без проблем используем наши системы синего света при очень сильном лабораторном освещении. У нас также есть ручная менее точная система белого света, которая кажется относительно непроницаемой для окружающего света. Однако для этой системы мы можем извлечь только STL, а не необработанное облако точек. Таким образом, внутренняя часть системы сглаживает данные, которые в противном случае, вероятно, не выглядели бы так здорово.

Традиционные системы структурированного освещения с белым светом использовали экзотические лампочки для обеспечения источника света, который имеет тенденцию затухать с длительными периодами времени, что снижает контрастность при извлечении данных. Во всех новых системах используются светодиодные источники. Наша самая старая система Blue Light Structured Light работает уже около 7 лет, и у нее не было проблем со светодиодным источником.

Я считаю, что системы структурированного освещения могут иметь точность от очень высокой до низкой, в зависимости от стиля и компромиссов, достигнутых при проектировании системы. Наши высококачественные системы очень точны (примерно от 9микрон до 60 микрон погрешности измерения), а ручные системы меньше (точность ближе к 500 микронам, хотя они рекламируют «точность до 100 микрон»), но очень просты в использовании и управлении.

Лазерный радар / лазерный трекер

РИСУНОК 9. Лазерный радар Nikon

Поскольку лазерный радар (бесконтактная система) и лазерные трекеры (контактная система) имеют много общего, я привожу описание обоих здесь, в этой статье о системе бесконтактного измерения.

Лазерные трекеры существуют уже некоторое время и активно используются для точной настройки крупного оборудования или для измерения крупных деталей или деталей, находящихся на большом расстоянии друг от друга. Они в основном похожи на гигантские (сферический диаметр 1,5 дюйма) точечные зонды с ручным управлением. Они собирают по одной точке с помощью SMR (сферического ретрорефлектора) и имеют дальность действия около 120 м. SMR держится в руке, и отражатель всегда должен быть направлен на базовый блок, установленный на штативе. Должна быть прямая видимость трекера, установленного на штативе, от SMR. Там точность очень хорошая и вообще говоря, в тысячных долях дюйма. Если вы можете ограничить использование энкодера в трекере (переместив трекер достаточно далеко от измеряемого объекта, чтобы ему не приходилось поворачиваться на большой угол), вы получите наиболее точные результаты.

Они собирают облака точек, как стационарные КИМ, но должны управляться человеком, как переносные КИМ (которыми они также считаются). Их можно комбинировать с портативными КИМ на манипуляторе для повышения гибкости и точности, когда в игру вступают ограничения прямой видимости. Существуют различные аксессуары, которые могут заменить или дополнить SMR, позволяя измерять края и другие функции. Существуют также аксессуары, которые имитируют ручной традиционный КИМ-датчик для сбора данных в скрытых областях.

Лазерный радар Nikon — лучший претендент на эту технологию. Технически это бесконтактная система сбора данных с радиусом действия до 50 м. И трекеры, и лазерный радар являются портативными и дальнобойными устройствами. Лазерный радар не требует наличия SMR для сбора данных и является программируемым. Недавние маркетинговые усилия Nikon направлены на автомобильный и встроенный осмотр транспортных средств. Тем не менее, существует множество применений этой технологии. Он также имеет режим сканирования, который может генерировать относительно большое облако точек (сканирование со скоростью 2000 точек в секунду). Точность очень похожа на лазерные трекеры. Большим препятствием для широкого распространения этой технологии является цена. Приблизительно в 400 000 долларов это в 3 раза дороже современных трекеров! Если бы цена была наполовину или ниже текущей цены, это могло бы вывести большую часть рынка лазерных трекеров из бизнеса.

CFS

РИСУНОК 10: Датчик CFS (элемент 3 на изображении)

Конфокальный датчик расстояния белого света (CFS) использует совершенно другой способ сбора облака точек. Он не использует лазер или структурированный свет для сбора данных, а вместо этого использует световую частоту (цвет). Обычно он состоит из оптики, через которую проходит сфокусированный белый свет, который разделяется на различные частоты, и эти частоты используются для оценки расстояния.

Когда вы посылаете белый свет через оптику, частоты или цвета не все снова сходятся на другой стороне оптики в одном и том же месте. Это связано с изменением показателя преломления света разных частот через оптическую среду (свет разных цветов преломляется по-разному через оптику). Результатом этого является создание вертикальной «радуги». Когда измеряемый объект помещается где-то в этой радуге, отраженный свет проходит обратно через систему и считывается. Этот свет может иметь много частот света, которые отражаются обратно через линзу, но только одна из них будет сфокусирована на поверхности детали, и система легко заметит это. Затем эта частота считывается, и тогда можно узнать абсолютное расстояние от прибора.

Преимущество такой системы заключается в ее способности быть невосприимчивой к зеркальности поверхности (например, зеркальные или хромированные поверхности) или прозрачности. Другие системы, такие как лазер и структурированный свет, требуют диффузной поверхности для отражения света камерой для захвата данных (некоторые из этих систем лучше работают с зеркальными поверхностями, чем другие, но это влияет на все эти другие системы). Таким образом, с датчиком CFS мы можем измерять изделия с зеркальной отделкой или даже оптику без какой-либо подготовки поверхности (порошки или краски: FOD – частицы посторонних предметов).

Наш сканер CFS установлен на мультисенсорной системе машинного зрения Zeiss и имеет очень хорошую погрешность измерения около 2,4 микрона. Это относительно медленный сканер со скоростью 2000 точек в секунду. Однако, поскольку он установлен на программируемой КИМ, он может работать всю ночь для захвата больших поверхностей с плотным облаком точек. Одна из интересных вещей, которую мы проделали с нашим, — это захват поверхности небольшого 1-дюймового штампа для монеты с повреждениями для реверс-инжиниринга. Данные вышли фантастическими и с высокой детализацией. Это было бы невозможно с лазером или структурированным светом из-за требуемой точности и зеркальной поверхности.

Резюме

Ни одно бесконтактное оборудование для передачи данных не подходит для всех приложений. У более крупных поставщиков услуг есть множество доступных им устройств для обслуживания ваших проектов. У них также есть большой опыт работы с каждым из этих типов оборудования, они используют их ежедневно и, таким образом, работают эффективно. Мы в 3D Engineering Solutions хотим стать дополнением к вашим внутренним инженерным ресурсам для сбора и обработки размерных данных. Пожалуйста, дайте нам возможность процитировать ваш следующий проект.

Лазерное 3D-сканирование, Услуги по 3D-сканированию, Измерение КИМ, Определение геометрических размеров и допусков, Промышленное компьютерное сканирование, Лазерное сканирование дальнего действия, Метрологические услуги, Неразрушающий контроль, Услуги по контролю качества, Обратный инжиниринг, Лазерное сканирование ближнего действия, Сканирование структурированным светом

Бесконтактные измерения — KAMAN

Существует множество инструментов для измерения положения, расстояния или вибрации объекта. Их можно разделить на две основные категории: контактные и бесконтактные.

Популярные методы подключения: линейные энкодеры, струнные потенциометры и линейные датчики переменного смещения (LVDT). Некоторые из преимуществ контактных измерительных систем: большой диапазон измерения, нечувствительность к материалу мишени, небольшой размер пятна (зоны измерения) и, как правило, более низкая стоимость.

Хотя контактные приборы подходят для многих применений, они имеют ограниченную частотную характеристику и могут влиять на динамику измеряемого объекта. Там, где эти факторы вызывают беспокойство, преимущества имеют бесконтактные методы. Ниже приведен список нескольких типов бесконтактных измерительных технологий с некоторыми их особенностями.

Измерение воздуха: Этот метод использует давление и расход воздуха для измерения размеров или осмотра деталей. Эти устройства работают на изменениях давления и скорости потока, чтобы произвести измерение. Требуется подача чистого воздуха. Он приемлем для использования с большинством целевых материалов и обычно используется для небольших диапазонов измерения от 0,010 до 0,200 дюймов в производственных условиях.

Эффект Холла: Этот датчик изменяет свое выходное напряжение в ответ на изменения магнитного поля. Зная магнитное поле, можно определить расстояние. Требуется магнитная мишень или прикрепление магнита к мишени. Эти датчики, как правило, недороги и используются в бытовом оборудовании и промышленных приложениях. Они также широко используются в автомобильных приложениях синхронизации.

Ультразвук: Ультразвуковые датчики работают по принципу, аналогичному гидролокатору, интерпретируя эхо звуковых волн, отражающихся от цели. Звуковая волна высокой частоты генерируется датчиком и направляется на цель. Путем расчета временного интервала между отправленным и принятым сигналами определяется расстояние до цели. Ультразвуковые датчики имеют большие диапазоны измерения и могут использоваться со многими целевыми материалами, включая жидкости. Производительность зависит от формы и плотности материала мишени. Они имеют более низкое разрешение, чем большинство других бесконтактных технологий, и не могут работать в вакууме. Ультразвуковые датчики часто используются для измерения уровня жидкости в резервуарах, а также в автоматизации производства и в обрабатывающей промышленности.

Фотоника: Фотонные датчики используют стеклянные волокна для передачи света к целевым поверхностям и от них. Смещение определяется по интенсивности отраженного света. Эти датчики имеют очень маленький размер пятна и могут использоваться для обнаружения небольших целей. Их можно использовать с большинством целевых материалов и в агрессивных средах. Они также нечувствительны к электромагнитным помехам или высоким напряжениям. Фотонные датчики обычно используются для небольших диапазонов измерения и могут иметь высокое разрешение и частотную характеристику. Но они чувствительны к загрязнениям окружающей среды и целевым изменениям отделки.

Емкость: Эти датчики работают по принципу изменения емкости между датчиком и целью для определения расстояния. Они могут использоваться со всеми токопроводящими материалами мишеней и не чувствительны к изменениям материала. Емкостные датчики имеют относительно небольшой размер пятна и не чувствительны к толщине материала, но обычно требуют, чтобы цель была заземлена на измерительную систему. Они могут быть изготовлены из очень высокотемпературных материалов для измерений до 1200°C. Эти датчики имеют небольшое отношение диапазона измерения к диаметру датчика и чувствительны к изменениям окружающей среды и загрязнениям.

Лазерная триангуляция: Эти датчики работают, проецируя луч света на цель и вычисляя расстояние, определяя, где отраженный свет падает на детектор. Они могут измерять большие расстояния, чем другие бесконтактные технологии; может использоваться с большинством целевых материалов и имеет очень маленький размер пятна измерения. Они, как правило, являются самым дорогим типом бесконтактных датчиков. На измерение влияет загрязнение окружающей среды и различия в чистоте поверхности цели.

Индуктивные вихретоковые датчики: Индуктивные вихретоковые датчики работают путем создания высокочастотного электромагнитного поля вокруг катушки датчика, которое индуцирует вихревые токи в целевом материале. Требуется токопроводящая мишень, но нет необходимости в заземлении измерительной системы. Производительность датчика зависит от проводимости материала мишени.