Оптико-электронный комплекс дистанционной идентификации строительных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Оптико-электронный комплекс дистанционной идентификации строительных материалов

Cпециальность - 05.11.07 Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

На правах рукописи

Беляева Мария Александровна

Научный руководитель: к.т.н., доцент, Трофимов В.А.

Санкт-Петербург 2012 г.

Работа выполнена в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент, Трофимов Владимир Анатольевич

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой ЛТ и ЭП НИУ ИТМО, Вейко Вадим Павлович

- кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник СПбГЭТУ "ЛЭТИ", Ветров Андрей Анатольевич

Ведущая организация - Санкт-Петербургский государственный горный университет

Защита состоится " 5 " июня 2012 г. в 17 часов 30 минут. на заседании специализированного совета Д.212.227.01 "Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы" при Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: г. Санкт-Петербург, пер. Гривцова, д.14, ауд. 314а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «СПб НИУ ИТМО»

Автореферат разослан " 2 " мая 2012 г.

Ваши отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим направлять в адрес университета: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49, секретарю диссертационного совета Д 212.227.01.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.227.01 В.М. Красавцев

Актуальность работы. С момента создания первых лазеров широкое распространение получила лазерная обработка различного рода материалов как органического, так и неорганического происхождения. Мощное лазерное излучение нашло свое применение в различных областях науки и техники (резка, сверление, сварка, маркировка материалов, бурение и др). Зачастую для этих задач используются высокомощные лазерные установки совместно с волоконно-оптическим трактом передачи излучения. При этом лазерное излучение по оптическому волокну передается к труднодоступным местам на большие расстояния. В ходе работы может возникнуть необходимость в получении информации о материале, обрабатываемом лазерным излучением в текущий момент времени, поскольку от нее может зависеть как оптимизация режимов воздействия на различные материалы, так и результат проводимой операции. Данное обстоятельство определяет актуальность разработки вспомогательного оптоэлектронного оборудования, обеспечивающего дистанционное определение типа материала, обрабатываемого мощным лазерным излучением. Также целесообразной является автоматизация процесса идентификации типа материала, которая может быть основана, к примеру, на разработке соответствующего программного обеспечения, анализирующего информацию о факеле, образуемом в зоне обработки. Автоматизация может способствовать как сокращению времени проведения анализа, так и снижению требований к квалификации оператора.

Цель работы. Цель диссертационной работы состоит в разработке способа и оптико-электронного комплекса дистанционной идентификации материалов, подвергающихся воздействию мощного лазерного излучения.

Задачи, требующие проведения диссертационных исследований:

– анализ существующих методов и средств технической диагностики плазменного факела;

– определение возможности трансляции информации о факеле по каналу его возбуждения (по принципу обратной связи);

– разработка оптико-электронной схемы дистанционного определения типа материала при воздействии на него лазерного излучения мощностью не менее 1 кВт;

– идентификация типа материала по спектрограмме плазменного факела;

– создание базы спектрограмм, характерных для различных материалов;

– автоматизация процесса идентификации.

Объект исследования. Объектом проводимого исследования является излучение факела, образующегося в ходе эмиссии возбужденных с помощью лазера атомов и молекул веществ, входящих в состав строительных материалов.

Методы исследования. Одним из основных методов, используемых для исследовательской работы, является качественный метод атомно-эмиссионного спектрального анализа веществ. Из общих методов, используемых как на эмпирическом, так и на теоретическом уровне исследования, в работе нашли свое применение метод идентификации объектов-оригиналов, анализ и синтез, а также методы математического и программного моделирования.

Научная новизна определяется тем, что установлена возможность проведения идентификации типов строительных материалов путем проведения спектрального анализа факела, образующегося в зоне воздействия лазерного излучения на поверхности материала, при следующих условиях:

– дистанционно (на расстоянии, ограниченном длиной волокна, которая может достигать нескольких сотен метров);

– с использованием волоконного непрерывного лазера. Указанный тип источника является одним из наиболее перспективных с точки зрения создания мощных малогабаритных лазерных установок с высоким КПД и хорошим качеством лазерного излучения (малой расходимостью);

– по принципу обратной связи, при котором подача лазерного излучения и перенос информации о факеле осуществляются по одному и тому же каналу связи (оптическому волокну).

Основные результаты, выносимые на защиту.

1. Методика формирования спектрограмм путем трансляции информации о факеле по каналу его возбуждения (по принципу обратной связи).

2. Принцип построения оптико-электронного комплекса для идентификации основных типов строительных материалов в условиях отсутствия доступа к месту их обработки.

3. Критерии оценки спектрограмм, устанавливающие связь между исследуемой спектрограммой и эталонными.

4. Методика автоматизации сравнения исследуемых спектрограмм с эталонными.

Практическая значимость.

1. Разработанный метод позволяет дистанционно идентифицировать типы строительных материалов в труднодоступных местах:

– в процессе проведения диагностики во время аварийно-спасательных работ;

– в ходе зондирования строительных конструкций перед их реставрацией;

– при формировании протяженных отверстий с использованием лазерной дрели.

2. К основным достоинствам разработанного способа следует отнести:

– производительность проведения исследования;

– возможность проведения идентификации материала без прерывания процесса лазерной обработки;

– простота внедрения в процесс лазерной обработки за счет минимального дополнительного технологического обеспечения.

Область применения результатов. Разработанный способ может быть использован в различных областях науки и техники. Результаты диссертационных исследований реализованы в серии работ в рамках Гособоронзаказа.

Личный вклад автора. Разработка схемы проведения экспериментов, проведение исследований, анализ результатов, разработка математических описаний критериев сравнения спектрограмм, выводы и научные положения, приведенные в диссертационной работе, получены лично соискателем. Общая постановка целей и задач исследования, подготовка к публикации полученных результатов проведена совместно с научным руководителем работы, Трофимовым В.А.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены автором на следующих научных конференциях: XLI научная и учебно-методическая конференция СПб НИУ ИТМО (г. Санкт-Петербург, 2012 г.), I Всероссийский конгресс молодых ученых (10-14 апреля 2012 г., СПб НИУ ИТМО, г. Санкт-Петербург).

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в четырех статьях, в том числе две статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК для кандидатских диссертаций (перечень от 01.01.2007 г.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения. Объем работы составляет 125 листов. Работа содержит 76 рисунков, в списке литературы 38 наименований.

плазменный факел электронный дистанционный

Содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулирована цель и содержание поставленных задач, указан объект и предмет исследования, представлены используемые методы исследования, определены положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе представлен обзор нескольких так называемых "интеллектуальных" систем, обеспечивающих получение информации об обрабатываемом лазерным излучением материале. В рассмотренных системах используется принцип обратной связи, при котором подача лазерного излучения и перенос информации об обрабатываемом материале происходят по одному и тому же каналу связи. В состав таких систем входят средства диагностики и управления процессами воздействия на материал в реальном масштабе времени с соответствующим программно - информационным обеспечением. К таким разработкам относится, например, хирургическая установка на основе СО2-лазера с системой контроля процесса фотодеструкции биоткани. Для организации оптико-информационного канала обратной связи в такой установке использован метод доплеровской диагностики лазерного испарения биотканей, основанный на автодинном детектировании (прием на резонатор СО2 лазера) обратно рассеянного из зоны воздействия излучения.

Из приведенных в главе примеров видно, что применительно к технологии дистанционной обработки строительных материалов с использованием мощного лазерного излучения, передаваемого в рабочую зону по оптическому волокну, решения этой задачи на сегодняшний момент не существует.

Отдельным разделом в главе рассмотрен способ дистанционной идентификации типа строительного материала путем регистрации времени разгорания и относительной яркости факела, возникающего под воздействием лазерного излучения на поверхности обработки того или иного материала. Однако указанный способ позволяет идентифицировать весьма ограниченное количество строительных материалов.

В конце главы сделан вывод о необходимости поиска новых способов проведения дистанционной идентификации строительного материала.

Во второй главе описаны основные процессы разрушения материалов лазерным излучением, которые в общем случае могут быть представлены следующими стадиями:

- поглощение света и последующая передача энергии внутрь тела;

- нагревание материала без разрушения;

- изменение агрегатного состояния вещества (плавление, испарение, сублимация, термодеструкция);

- остывание материала после прекращения облучения.

Каждая из этих стадий наблюдается при разрушающем действии излучения на материал. Первые три стадии во многом определяют производительность технологических операций. Вторая, третья и четвертая стадии ответственны за структурные и физико-химические превращения в облучаемом материале. Именно в процессе протекания второй и третьей стадии веществу передается энергия, необходимая для возбуждения атомов и молекул веществ, входящих в состав материала.

В данной главе делался акцент на характер влияния лазерного излучения на неметаллы, к которым относится большинство строительных материалов.

Известен тот факт, что эффективность обработки большинства диэлектриков с использованием лазерного излучения с длиной волны 1,06 мкм ниже, чем при использовании лазерного излучения с длиной волны 10,6 мкм (из-за меньшей прозрачности материалов на этой длине волны). Однако лазерные источники, генерирующие излучение с длиной волны 1,06 мкм (в частности волоконные лазеры) имеют ряд следующих преимуществ по сравнению с остальными типами лазерных установок:

- КПД до 30%;

- высокое качество выходящего излучения (малая числовая мера дифракции - М2<1.1 мм?мрад);

- минимальные (в сравнении с другими типами лазеров) габариты и масса;

- возможность использования воздушной системы охлаждения;

- модульность конструкции и возможность увеличения мощности путем установки дополнительных модулей накачки;

- возможность передачи излучения по волокну длиной в сотни метров;

- пылезащищенное исполнение;

- высокая надежность (общий ресурс 50 000 - 100 000 часов);

- минимальные (в сравнении с другими типами лазеров) эксплуатационные расходы;

- отсутствие расходных компонентов или материалов (не требует периодического технического обслуживания специалистами в течение срока службы);

- простота обслуживания.

Помимо этого существуют данные, показывающие, что при соответствующих условиях (повышении плотности мощности до 105 - 106 Вт/см2) лазерная энергия может эффективно поглощаться материалом, даже если начальное отражение велико.

Приведенные аргументы объясняют целесообразность использования волоконного лазера для обработки различного рода материалов.

В главе приведены теоретические данные, дающие приблизительную оценку величине плотности мощности, необходимой для испарения материалов.

По этим данным механизм испарения реализуется при разделении всех материалов, облучаемых короткими импульсами, обеспечивающими плотность мощности на поверхности не менее 107 Вт/см2. Однако удельная энергия и температура испарения (термодеструкции с переходом в газообразное состояние) многих неметаллов достаточно низки, поэтому режим испарения наблюдается уже при плотностях мощности порядка 104 - 105 Вт/см2 и легко обеспечивается при использовании лазеров непрерывного действия.

Предварительная оценка минимального значения мощности лазерного излучения, необходимого для разрушения материала (Рразр), которое характеризует процесс образования отверстия в приближении, что вся энергия лазерного излучения расходуется исключительно на плавление и испарение обрабатываемого материала (его разрушение).

Величину Рразр можно рассчитать по формуле:

Рразt=Cm(Tп-T0)+?пm+Cm(Tи-Tп)+rиm, (1)

где m - масса; ?п - удельная теплота плавления; rи - удельная теплота парообразования; С - удельная теплоемкость; Tп - температура плавления; Tи температура испарения; Т0 - начальная температура; t - время воздействия излучения.

Из выражения 1 можно определить минимальную плотность энергии, необходимую для разрушения материалов:

, (2)

где p - плотность материала, l - длина формируемого отверстия.

Используя справочные данные, было получено, что минимальная плотность энергии лазерного излучения, необходимая для разрушения кирпича на глубину 1 мм, составляет приблизительно 5,2?102Дж/см2. В полученной величине учитывается суммарный вклад (в размере 30% от Рраз) следующих потерь мощности: потери в результате протекания химических реакций, потери в факеле, образующимся внутри отверстия и на поверхности материала, потери мощности, обусловленные отражением лазерного излучения от поверхности обработки, обусловленные охлаждением обрабатываемого материала потоком вспомогательного газа, и обусловленные теплопроводностью обрабатываемого материала.

Далее приводятся экспериментальные данные порогов разрушения некоторых строительных материалов и металлов под действием лазерного излучения.

Нижней границей плотности энергии излучения, при которой начинается процесс термодеструкции с переходом в газообразное состояние, является плотность около 10 кДж/см2 для металлов, и от 0,2 до 0,8 кДж/см2 для бетона, кирпича, гранита, кафеля. Таким образом, для кирпича экспериментально полученный результат совпадает с теоретическим.

Для сосны, бука процесс разрушения начинается при плотностях от 80 до 100 Дж/см2. Наиболее низкопороговым материалом является пенопласт (порог разрушения составляет единицы Дж/см2).

Приведен расчет температуры в центре облучаемого лазерного пятна, обеспечиваемой на поверхности керамического кирпича. Для точечного источника с гауссовым профилем расчет выполняется по формуле:

, (3)

где q0 -мощность на единицу площади, r0 - радиус пучка, ?t - коэффициент теплопроводности материала, a - коэффициент температуропроводности, t - длительность воздействия излучения.

Используя справочные данные для керамического кирпича и условия проведения исследований настоящей работы (радиус пучка на поверхности материала - 0,02 см, длительность подачи излучения - 10 мс, плотности мощности излучения - 105 Вт/см2), получаем температуру на поверхности кирпича порядка 6?105 К (порядок соответствует температуре низкотемпературной плазмы).

Таким образом, можно сделать предположение, что наблюдаемое в процессе исследований в зоне обработки излучение можно назвать для некоторых материалов низкотемпературной плазмой, и что плотность энергии порядка 6?103 Дж/см2 (средняя мощность излучения составляет 1 кВт, длительность воздействия - 1 мс, площадь лазерного пучка на поверхности обработки - 1,6?10-3 см2), генерируемая используемым в работе непрерывным иттербиевым волоконным лазером, обеспечивает процесс термической деструкции основных строительных материалов.

В третьей главе обозначены основные принципы проведения атомно-эмиссионного спектрального анализа.

Объяснена природа формирования различных типов спектров, которые делятся на линейчатые, полосатые и сплошные.

В этой главе приводится обобщенная структурная схема спектрального прибора.

В состав типового спектрального прибора входят следующие основные элементы:

- источник излучения, который создает материальный носитель полезной информации -- поток излучения. Источник излучения может конструктивно входить в состав прибора или быть удален от него на значительное расстояние. Он может также служить высокотемпературным излучателем, обеспечивающим возбуждение спектра исследуемой пробы. В качестве источника света используются газоразрядные, пламенные и лазерные излучатели;

- передающая оптическая система, предназначенная для формирования потока от источника излучения и направляющая его на кювету с исследуемым веществом;

- фотозатвор, осуществляющий контроль времени, в течение которого проба подвергается световому воздействию;

- приемная оптическая система, которая формирует исследуемый поток на щели спектрометра;

- диспергирующее устройство, осуществляющее разложение излучения сложного состава на монохроматические составляющие, т.е. образующее спектр;

- приемник энергии излучения, который служит для преобразования сигнала, переносимого потоком, или в электрический сигнал, или в изменение оптической плотности почернения фотопластинки, или в зрительные ощущения наблюдателя;

- регистрирующее устройство, служащее для усиления электрических сигналов приемника, преобразования их к наиболее удобному виду и записи спектра.

В настоящее время разрабатывается множество спектральных приборов, которые совмещают в себе не только все указанные элементы в довольно компактном корпусе, но и оснащенные выходом на ПК для проведения автоматической загрузки проб, выполнения индивидуальных программ проведения анализа, обработки и вывода полученных данных.

Обозначены основные характеристики спектрального прибора. Расчетным путем установлено, что для рабочего диапазона спектрометра от 600 до 1300 нм (диапазон наибольшего пропускания оптического волокна) величина постоянной дифракционной решетки должна быть более 650 нм, и решетка, соответственно, должна иметь менее 1500 штр/мм, а предел разрешения ?? должен составлять порядка десятых долей нанометра.

В четвертой главе представлены результаты идентификации строительных материалов в процессе их обработки лазерным излучением.

В ходе работы был определен состав и структура комплекса технических средств для проведения спектрального анализа плазменного факела, возникающего в зоне воздействия лазерного излучения на материал.

Указанный комплекс был адаптирован к системе, участвующей в процессе лазерной обработки различных типов материалов. Основными элементами системы являются:

- лазерный излучатель - непосредственный источник силового излучения, обрабатывающего материал (Рис. 1, поз. 1);

- узел ввода мощного лазерного излучения в оптическое волокно с линзой ввода (Рис. 1, поз. 2);

- оптическое волокно, предназначенное для передачи излучения от лазера к поверхности материала (Рис. 1, поз. 4).

Комплекс для проведения идентификации является дополнительным звеном в системе и состоит из следующих элементов:

- светоделительной пластины (Рис. 1, поз. 2);

- фокусирующего устройства (Рис. 1, поз. 6);

- спектроанализатора (Рис. 1, поз. 7).

Рис. 1. Схема экспериментального комплекса: 1 - лазерный излучатель; 2 - светоделительная пластина; 3 - линза ввода силового излучения; 4 - оптическое волокно; 5 - фрагмент материала; 6 - фокусирующее устройство; 7- спектроанализатор

Принцип получения спектрограммы по схеме, приведенной на Рис. 1, заключается в следующем. Излучение, генерируемое лазером, проходит светоделительную пластинку, фокусируется линзой ввода на входной торец оптического волокна и по волокну передается к поверхности материала. В результате воздействия лазерного излучения в месте обработки материала наблюдается интенсивное свечение, обусловленное возникновением плазменного факела, в котором содержатся пары веществ, входящих в состав материала. Образующееся излучение проходит обратно по волокну, затем через линзу ввода и, отражаясь от светоделительной пластины, собирается фокусирующим устройством на щели спектроанализатора. Далее при помощи дифракционной решетки раскладывается в спектр и направляется на решетку CCD детекторов, где формируется электрический сигнал, передаваемый к ПК.

Дистанционность проведения спектрального анализа обеспечивается установкой спектрометра в непосредственной близи к лазерному излучателю, тогда как процесс обработки материала, и соответственно образование плазменного факела, происходит на удалении, определяемом длиной оптического волокна. В работе использовалось волокно типа кварц/кварц с диаметром кварцевой сердцевины 400 мкм, номинальной числовой апертурой NA=0,2, длиной 50 м.

Спектрограммы формируются в режиме реального времени (в течение 1 - 2 с после начала подачи излучения) и регистрируются на ПК с помощью программного обеспечения, которым оснащен спектроанализатор.

Укажем основные достоинства рассмотренного способа.

Во-первых, представленная схема позволяет проводить идентификацию материала СК дистанционно (длина волокна может достигать нескольких сотен метров).

Во-вторых, использование одноволоконной схемы построения эксперимента, при которой подача лазерного излучения и перенос информации о плазменном факеле к спектроанализатору осуществляется по одному и тому же волокну, позволяет проводить идентификацию типа материала без прерывания процесса лазерной обработки.

В-третьих, данная схема исследования требует минимального дополнительного технологического оснащения.

В ходе работы был изготовлен комплекс технических средств, предназначенный, при работе совместно с лазерной установкой, для проведения спектрального анализа плазменного факела, возникающего в зоне обработки материала лазерным излучением.

Основными элементами комплекса являются:

- спектроанализатор;

- фокусирующее устройство;

- несущая система с механизмом юстировки;

- лазерный диодный модуль;

- блок зажимных приспособлений.

Спектроанализатор предназначен для регистрации спектра факела, возникающего в зоне воздействия лазерного излучения на строительный материал.

В составе комплекса используется спектроанализатор марки "Wave Star V CCD Spectrometer" производства фирмы "OPHIR". Он представляет собой портативное устройство, которое совмещает в себе диспергирующий элемент, оптическую систему, приемник излучения и регистрирующее устройство, и имеет следующие основные характеристики:

- регистрируемый спектральный диапазон - 570 - 1070 нм;

- приемная матрица содержит 3000 элементов CCD;

- количество штрихов на миллиметр - 1800;

- спектральное разрешение - 0,5 нм;

- габаритные размеры - 70?80?100 мм;

- масса - 1 кг.

Спектральный диапазон спектроанализатора выбран, исходя из диапазона наибольшего пропускания оптического волокна, который находится в пределах 600 - 1300 нм.

Фокусирующее устройство предназначено для фокусировки излучения плазменного факела, отраженного от светоделительной пластинки узла ввода лазерной установки, на входную щель спектроанализатора.

Несущая система с механизмом юстировки предназначена для позиционирования и взаимного ориентирования спектроанализатора относительно фокусирующего устройства.

Лазерный диодный модуль совместно с блоком зажимных приспособлений предназначены для подсветки торца оптического волокна при проведении юстировочных работ.

Исследования проводились по схеме, представленной на Рис. 1.

Для исследований использовался непрерывный иттербиевый волоконный лазер ЛС-1-В производства ООО "НТО "ИРЭ-Полюс". Лазер генерирует излучение мощностью до 1 кВт на длине волны 1,07 мкм.

В результате исследований было выяснено, что наиболее информативные спектрограммы получаются при следующих условиях проведения эксперимента:

– величина мощности подаваемого лазерного излучения - 1000 Вт;

– длительность импульса - 10 мс;

– расстояние от торца волокна до поверхности обрабатываемого материала - 1 мм.

Плотность мощности излучения при этом составляла порядка 105 Вт/см2.

В исследованиях участвовали основные конструкционные и некоторые отделочные материалы (всего около 20 материалов).

В процессе исследований было выяснено, что указанный диапазон является наиболее информативным, потому что в более длинноволновой области, от 900 до 1100 нм, фиксируется интенсивное лазерное излучение, а более коротковолновая область, от 540 до 600 нм, является малоинформативной из-за преобладания шумовой составляющей спектроанализатора над полезным сигналом.

Представленные результаты позволяют сделать заключение, что профили большей части приведенных спектрограмм различны и по-своему характеризуют каждый из типов материалов. Например:

– кирпич, плитку керамическую и гранит можно идентифицировать по соотношению интенсивности линий в районе 770, 795, 819 нм;

– связующую составляющую бетона можно определить по наличию линий в районе 780, 794, 819 нм;

– в спектрограмме штукатурки наблюдаются выраженные полосы самопоглощения в районе 764-772 нм;

– спектрограмма арматуры малоинтенсивна и характеризуется наличием линий с длинами волн 766; 769 нм;

– спектрограмма стеновой панели на основе ПВХ имеет характерные для этого материала спектральные полосы в районе 600-648 нм;

– спектрограмма пеноплекса отличается ярким факелом и резким убыванием интенсивности спектра в диапазоне длин волн 800-900 нм.

В работе были исследованы кирпичи различных марок, арматура различных типов. При этом характерные особенности спектрограмм сохранялись. Это давало право предположить, что получаемые исследуемым способом спектрограммы являются характерными для определенного типа материалов, а не для определенного фрагмента.

Таким образом, в процессе работы была определена возможность дистанционной идентификации основных конструкционных и некоторых отделочных строительных материалов путем проведения спектрального анализа факела, возникающего в зоне обработки материала волоконным лазером.

В пятой главе исследована возможность автоматического проведения спектрального анализа с последующей выдачей результата.

В ходе диссертационной работы была разработана методика определения принадлежности спектрограммы к тому или иному типу материала.

Методика заключается в сравнении исследуемой спектрограммы с эталонными, библиотека которых формируется заранее. При этом для сравнения был разработан ряд критериев:

- наличие характерных максимумов (минимумов) интенсивности в определенном (одном или нескольких) спектральном диапазоне;

- интегральное значение интенсивности в выбранном (одном или нескольких) спектральном диапазоне;

- отношение интегральных значений интенсивности в определенной паре (одной или нескольких) спектральных диапазонов (Критерий №3);

- характер поведения спектрограммы (убывание - возрастание) в определенном (одном или нескольких) спектральном диапазоне (Критерий №4);

- профиль спектрограммы.

Для каждого критерия было разработано математическое описание. За основу расчетов был взят текстовый файл, сопровождающий графическое представление спектрограммы и представленный в виде табличных значений интенсивности (в относительных единицах) в зависимости от длины волны (I(?)).

Критерий "наличие характерных максимумов (минимумов) интенсивности" определяется совпадением характерных спектральных линий исследуемой спектрограммы с эталонными. Под минимумами интенсивности подразумеваются линии самопоглощения. Сравнение спектрограмм по этому критерию заключается в выполнении последовательности следующих действий.

1. В исследуемой спектрограмме пользователь выбирает диапазон длин волн (?1??2), в котором наблюдается характерная спектральная линия или линия самопоглощения.

2. Программа находит по общей таблице значений интенсивности (I(?)) максимальное (или минимальное) значение интенсивности Imax(?)(Imin(?)) в интервале длин волн ?1??2.

3. Программа находит табличное значение интенсивности на конце выбранного интервала I(?2).

4. Находится отношение

Кmax(ис) = Imax(?)/I(?2), Кmin(ис)= Imin(?)/I(?2), (4)

где Кmax(ис) (Кmin(ис)) - коэффициенты сравнения исследуемой спектрограммы.

5. Операции 1 - 4 повторяются для эталонных спектрограмм, характеризующих различные материалы, для интервала ?1??2 и определяются коэффициенты сравнения эталонной спектрограммы Кmax(эт) (Кmin(эт)).

6. Рассчитывается разность полученных коэффициентов по абсолютной величине

Criteri(1)max = abs (Кmax(эт) - Кmax(ис)), Criteri(1)min=abs (Кmin(эт)- Кmin(ис)), (5)

где Criteri(1) - числовое значение, соответствующее Критерию №1 для первого интервала.

7. Операции 1 - 6 повторяются для остальных выбранных интервалов. Получаем значения Criteri(2)max (Criteri(2)min) … Criteri(n)max (Criteri(n)min), соответствующие Критерию №1 со второго по n интервал длин волн.

8. Для измеренной спектрограммы вычисляется результирующее значение по Критерию №1 Criteri (Rezmax) и Criteri(Rezmin):

Criteri(Rezmax) = Criteri(1)max + Criteri(2)max +…+ Criteri(n) max,(6)

или

Criteri(Rezmin) = Criteri(1)min + Criteri(2)min +…+ Criteri(n) min, (7)

9. Эталонная спектрограмма с минимальным значением Criteri(Rezmax) (Criteri(Rezmin)) будет ближе всего к исследуемой согласно Критерию №1.

Критерий "интегральное значение интенсивности" позволяет сравнивать спектрограммы по уровню их интенсивности в различных диапазонах длин волн. Сравнение спектрограмм по этому критерию заключается в выполнении последовательности следующих действий.

1. В исследуемой спектрограмме пользователем выбирается диапазон длин волн (?1??2).

2. Выбранный диапазон разбивается на n интервалов, соответствующих табличным значениям (в текстовом файле).

3. Рассчитывается интегральное значение интенсивности в выбранном диапазоне по формуле

, (8)

где k- количество интервалов, разбивающих диапазон ?1??2, Iис(1) - интегральное значение интенсивности в спектральном диапазоне ?1??2.

4. Операции 1-3 повторяются для эталонных спектрограмм, характеризующих различные материалы, для диапазона ?1??2 и определяется Iэт(1).

5. Определяется абсолютное значение разности величин

?I(1) = abs (Iэт(1) - Iис(1)) (9)

6. Операции 1 - 5 повторяются для остальных выбранных интервалов и рассчитываются ?I(2) … ?I(m), соответствующие интегральным значениям интенсивности со второго по m интервал длин волн.

7. Для измеренной спектрограммы вычисляется результирующее значение по Критерию №2 Criteri (Rez):

Criteri(Rez) = ?I(1) + +…+ ?I(m), (10)

8. Эталонная спектрограмма с минимальным значением Criteri(Rez) будет ближе всего к исследуемой согласно Критерию №2.

Критерий "отношение интегральных значений интенсивности в определенной паре спектральных диапазонов" позволяет оценивать соотношение уровней интенсивности в разных диапазонах длин волн. Сравнение спектрограмм по этому критерию заключается в выполнении последовательности следующих действий:

1. В исследуемой спектрограмме пользователем выбирается пара интервалов длин волн (?1??2 и ?3??4).

2. Вычисляется интегральное значение интенсивности для каждого из пары интервалов Iис(1) (для интервала ?1??2) и I'ис (1) (для интервала ?3??4), как в предыдущем критерии.

3. Находится отношение Iис(1)/I'ис(1).

4. Операции 1 - 3 повторяются для эталонных спектрограмм, характеризующих различные материалы, для пары интервалов ?1??2 и ?3??4 и определяется отношение Iэт(1)/I'эт(1).

5. Определяется абсолютное значение разности величин Iис(1)/I'ис(1) и Iэт(1)/I'эт(1).

?I(1) = abs (Iис(1)/I'ис(1) - Iэт(1)/I'эт(1)) (11)

6. Операции 1 - 5 повторяются для остальных выбранных попарно интервалов и рассчитываются ?I(2) … ?I(n) соответственно со второй по n пару.

7. Для измеренной спектрограммы вычисляется результирующее значение по Критерию №3 Criteri (Rez):

Criteri(Rez) = ?I(1) + +…+ ?I(m) (12)

8. Эталонная спектрограмма с минимальным значением Criteri(Rez) будет ближе всего к исследуемой согласно Критерию №3.

Критерий "характер поведения спектрограммы" позволяет оценивать поведение спектрограммы (возрастание - убывание) на выбранном диапазоне длин волн. Сравнение спектрограмм по этому критерию заключается в выполнении последовательности следующих действий:

1. В исследуемой спектрограмме пользователем выбирается диапазон длин волн (?1??2).

2. Выбранный диапазон разбивается на n интервалов, соответствующих табличным значениям (в текстовом файле).

3. Для каждого интервала n вычисляется массив локальных углов наклона исследуемой спектрограммы относительно оси абсцисс:

, (13)

где ?I - разность значений интенсивности, ?? - разность значений длин волн в определенном интервале.

4. Вычисляется сумма всех рассчитанных углов:

(14)

5. Операции 1 - 4 повторяются для эталонных спектрограмм, характеризующих различные материалы, для диапазона (?1??2) и определяется значение tg(?)эт.

6. Определяется абсолютное значение разности величин tg(?)ис и tg(?)эт для первого диапазона (?1??2).

?tg(?)1=abs(tg(?)ис- tg(?)эт) (15)

7. Операции 1 - 6 повторяются для остальных выбранных диапазонов длин волн и определяются ?tg(?)1 … ?tg(?) п.

8. Для измеренной спектрограммы вычисляется результирующее значение по Критерию №4 Criteri (Rez):

Criteri (Rez)= ?tg(?)1+…+ ?tg(?)п (16)

9. Эталонная спектрограмма с минимальным значением Criteri(Rez) будет ближе всего к исследуемой согласно Критерию №4.

Критерий "профиль спектрограммы" позволяет оценивать профили исследуемых спектрограмм, пошагово перемещая их относительно эталонных по оси абсцисс.

Были введены коэффициенты: минимальный шаг подстройки по шкале длин волн (шаг) и число шагов подстройки по шкале длин волн (Кшаг) в обоих направлениях. Сравнение спектрограмм по этому критерию заключается в выполнении последовательности следующих действий.

1. В исследуемой спектрограмме пользователем выбирается диапазон длин волн (?1??2).

2. Выбранный диапазон разбивается на n интервалов, соответствующих табличным значениям (в текстовом файле).

3. Для каждого из выбранных интервалов длин волн от 1 до n вычисляется разность интенсивностей между эталонной и исследуемой спектрограммами

I1,1 = I1,1 (эт.) - I1,1 (ис.)… (17)

I1,n = I1,n1 (эт.) - I1,n1 (ис.),

где n1 - число интервалов, попадающих в первый диапазон длин волн.

4. Вычисляется разность интенсивностей эталонной и исследуемой спектрограммы для интервала длин волн с номером m:

Im,1 = Im,1 (эт) - Im,1 (ис)… (18)

Im,nm = Im,nm (эт) - Im,nm (ис),

где nm - число интервалов, попадающих в диапазон длин волн с номером m.

5. Вычисляется математическое ожидание:

, (19)

где m - число выбранных интервалов, ni - число данных, попадающих в интервал длин волн с номером i, Ii,k - текущее значение разности интенсивностей эталонной и исследуемой спектрограммы для интервала длин волн с номером i, k - это относительный номер отсчета данных в интервале с номером i.

6. Вычисляется отклонение от математического ожидания разностей интенсивностей для всех выбранных интервалов длин волн:

Для первого интервала длин волн:

D(I1,1) = M(I) - I1,1… (20)

D(I1,n1) = M(I) - I1,n1,

где n1 - число данных, попадающих в первый интервал длин волн.

Для интервала длин волн с номером m:

D(Im,1) = M(I) - Im,1… (21)

D(Im,nm) = M(I) - Im,nm,

где nm - число данных, попадающих в интервал длин волн с номером m.

7. Вычисляется суммарный коэффициент критерия K по следующей формуле:

, (22)

где m - число выбранных интервалов, ni - число данных, попадающих в интервал длин волн с номером i, Ii,k - текущее значение разности интенсивностей эталонной и исследуемой спектрограммы для интервала длин волн с номером i, причем k - это относительный номер отсчета данных в интервале с номером i.

8. Повторяются операции 1 - 7 с коррекцией биения данных по шкале длин волн, т.е. интервалы длин волн исследуемой спектрограммы остаются без изменений, а границы интервалов длин волн эталонной спектрограммы корректируются следующим образом:

- устанавливается значение индекса текущего шага N, который принимает значения от -Kшаг до +Kшаг с дискретностью 1 (за исключением N=0, при котором уже был произведен расчет в 1 - 7). То есть для первого шага N= -Kшаг, для второго шага N= -Kшаг +1, для последнего шага N= Kшаг (всего выполняется 2Kшаг шагов);

- вычисляются границы первого интервала длин волн для эталонной спектрограммы:

1,1=1,1+шагN

1,2=1,2+шагN, (23)

где 1,1- левая граница первого интервала длин волн, 1,2- правая граница первого интервала длин волн, N - значение индекса текущего шага;

- вычисляются границы второго интервала длин волн для эталонной спектрограммы:

2,1=2,1+шагN

2,2=2,2+шагN, (24)

где 2,1 эталон - левая граница второго интервала длин волн, 2,2 эталон - правая граница второго интервала длин волн, N - значение индекса текущего шага;

- вычисляются границы для интервала длин волн с номером m для эталонной спектрограммы:

m,1=m,1+шагN

m,2=m,2+шагN, (25)

где m,1- левая граница первого интервала длин волн, m,2- правая граница первого интервала длин волн, N - значение индекса текущего шага;

- вычисляются значения пятого критерия KN для всех возможных шагов: K(-кшаг) - значение критерия для первого шага подстройки, K(-кшаг+1) - значение критерия для второго шага подстройки … K(кшаг) - значение критерия для последнего шага подстройки;

9. Находится минимальное из вычисленных значений KN:

Kmin = min ( K(-кшаг), K(-кшаг+1), … , K-1, K0 ,K1 … , K(кшаг-1) , K(кшаг)

где K0 - значение критерия без коррекции биения данных по шкале длин волн,

K(-кшаг), K(-кшаг+1), … ,K-1, K1 … ,K(кшаг-1), K(кшаг)- значения критерия с коррекцией биения данных по шкале длин волн.

10. Находится Kmin для всех выбранных эталонных спектрограмм.

11. Чем меньше Kmin, тем ближе эталонная спектрограмма к исследуемой согласно Критерию №5.

Было разработано дополнительное программное обеспечение, которое позволяет осуществлять захват данных (спектрограмм) из программы спектроанализатора WaveStar, а затем автоматически их обрабатывать.

Основным принципом, на котором основана работа дополнительного программного обеспечения, является создание базы эталонных спектрограмм материалов и сравнение с ними спектрограммы исследуемого материала по заложенному предварительно алгоритму. Алгоритм представляет собой последовательность критериев, по которым ведется сравнение.

Разработанное программное обеспечение содержит шесть закладок:

- заполнение эталонной базы;

- просмотр и редактирование эталонной базы;

- критерии идентификации;

- алгоритм идентификации;

- идентификация материала;

- просмотр отчета.

При активации режима "Заполнение эталонной базы", интерфейсное окно которого представлено на рис.2, программа позволяет создавать базы спектрограмм, характерные для определенных типов материалов и полученные при определенных условиях воздействия лазерного излучения на эти материалы.

Рис.2. Окно программы для заполнения эталонной базы

В этом окне фиксируются условия эксперимента (условия, в которых происходит обработка материала, параметры и режимы работы спектроанализатора) и название материала, которому принадлежит полученная спектрограмма.

В режиме "Просмотр и редактирование эталонной базы" для пользователя предусмотрены следующие возможности:

- просмотр краткой характеристики условий эксперимента;

- просмотр дополнительных комментариев к данному эксперименту;

- просмотр и редактирование всей информации об условиях получения спектрограммы;

- удаление спектрограмм после их выбора.

В режиме "Критерии идентификации" программа позволяет зафиксировать спектрограмму со спектроанализатора и провести ее сравнительный анализ с эталонными спектрограммами по каждому критерию отдельно.

Результат анализа появляется в окне "Результат идентификации" и заключается в указании материала, которому наиболее соответствует полученная спектрограмма.

В ходе использования закладки "Критерии идентификации" была установлена последовательность действий - алгоритм, которого необходимо придерживаться при сравнении исследуемой спектрограммы с базовыми, чтобы добиться правильного результата. Алгоритм заключается в последовательном выборе определенных критериев в определенных спектральных интервалах. Таким образом, в закладке "Алгоритм идентификации" обеспечивается возможность записи найденного алгоритма действий. Алгоритм, как и эталонные базы, закладывается заранее перед передачей программы пользователю.



Рис.3. Окно программы для записи разработанного алгоритма

Особенности работы программы по алгоритму заключаются в следующем:

- все расчеты и движение по дереву алгоритма производятся автоматически;

- результаты идентификации (материалы) по предыдущему критерию являются условием для последующего. Таким образом, производится постепенный отсев материалов, предварительно выбранных из списка;

- если в опции "Результат идентификации" все десять материалов окажутся одинаковыми (100% результат), то алгоритм останавливается досрочно (в программе предусмотрено варьирование процентами);

- результатом расчета по алгоритму всегда будет название материала, чья спектрограмма наиболее близка к исследуемой;

- внутри алгоритма предусмотрена возможность проведения дополнительного "выстрела" в случае необходимости проведения дополнительного исследования между определенными группами материалов;

- программа позволяет создавать неопределенное количество алгоритмов.

Надо отметить, что в программе предусмотрено формирование нескольких алгоритмов с расчетом на разные комбинации материалов.

В закладке "Идентификация материала" программа позволяет осуществлять выбор алгоритма.

Данный выбор определяется необходимостью идентификации материала из определенной комбинации материалов.

Рис.4. Окно программы "Идентификация материала"

После этого обеспечивается проведение автоматической идентификации материала путем сравнения его спектрограммы с эталонными согласно заложенному алгоритму.

Иными словами, оператору достаточно последовательно нажать клавиши "Идентификация" и "Новый выстрел", произвести подачу лазерного излучения согласно условиям в сплывающем окне, после чего через 3-5 секунд в выплывающем окне появится название идентифицированного материала).



Рис.5. Результат идентификации

В режиме "Просмотр отчета" программа позволяет просматривать и сохранять результаты анализа пошагово согласно дереву активированного алгоритма.

Возможность использования разработанного программного обеспечения для проведения дистанционной автоматической идентификации строительного материала была подтверждена рядом экспериментальных работ.

Основные результаты работы.

1. Установлена возможность и разработана схема получения информации о плазменном факеле, возникающем в зоне обработки строительных материалов лазерным излучением. Указанная схема обеспечивает проведение спектрального анализа при следующих условиях:

– дистанционно (на расстоянии, ограниченном длиной волокна, которая может достигать нескольких сотен метров);

– с использованием непрерывного волоконного иттербиевого лазера. Указанный тип источника является одним из наиболее перспективных с точки зрения создания мощных малогабаритных лазерных установок с высоким КПД и хорошим качеством лазерного излучения (малой расходимостью);

– по принципу обратной связи, при котором трансляция лазерного излучения и перенос информации о плазменном факеле передаются по одному и тому же каналу связи (оптическому волокну), что позволяет проводить идентификацию типа материала без прерывания процесса лазерной обработки.

2. Сформирована база спектрограмм основных строительных материалов и определены их характерные особенности.

3. Разработано и апробировано программное обеспечение для проведения автоматического определения типа строительного материала.

Основным принципом, на котором основана работа дополнительного программного обеспечения, является создание базы эталонных спектрограмм материалов и сравнение с ними спектрограммы исследуемого материала по заложенному предварительно алгоритму. Алгоритм представляет собой последовательность критериев, по которым ведется сравнение.

4. Разработан комплекс технических средств для проведения спектрального анализа в ходе обработки материала лазерным излучением. Основными элементами комплекса являются:

– спектроанализатор;

– фокусирующее устройство;

– несущая система с механизмом юстировки;

– лазерный диодный модуль;

– блок зажимных приспособлений;

– программное обеспечение.

Результаты диссертационных исследований реализованы в серии работ в рамках Гособоронзаказа.

Список публикаций по теме диссертации

1. Беляева М.А., Трофимов В.А. Дистанционная лазерная спектроскопия строительных материалов// Оптика и спектроскопия. 2012. Т. 112, № 4 - С. 688-691.

2. Трофимов В.А., Беляева М.А. Дистанционная лазерная идентификация типа строительного материала/ Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2012. - № 2 (78) - С. 8 - 13.

3. Беляева М.А., Трофимов В.А. Идентификация строительных материалов путем проведения эмиссионного спектрального анализа// Меж. вуз. Сб: Неразрушающий контроль и диагностика окружающей среды, материалов и промышленных изделий/ Под ред. А.И. Потапова, СПб СЗПИ, 2012 вып.№1, с.45 - 49.

4. Беляева М.А., Трофимов В.А. Анализ возможности проведения автоматической дистанционной идентификации типа материала по спектрограмме плазменного факела// Меж. вуз. Сб: Неразрушающий контроль и диагностика окружающей среды, материалов и промышленных изделий/ Под ред. А.И. Потапова, СПб СЗПИ, 2012 вып.№1, с.51- 60.

5. Беляева М.А., Трофимов В.А., Уразгалиев В. Автоматизация лазерной идентификации типов строительных материалов// Программа XLI научной и учебно-методической конференции СПб НИУ ИТМО, 2012 г.

6. Беляева М.А. Автоматизация лазерной идентификации строительных материалов// Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых, Выпуск 2. Труды молодых ученых/ Главный редактор д.т.н., проф. В.О. Никифоров. - СПб: НИУ ИТМО, 2012. - с.75 - 76.

Размещено на Allbest.ur

...