Systemy monitorowania i pomiarów konstrukcji realizujące wybrane niekoherentne i koherentne metody optyczne Zadania 22-29 Małgorzata Kujawińska Instytut Mikromechaniki i Fotoniki Wydział Mechatroniki PW
Jan 15, 2016
Systemy monitorowania i pomiarów konstrukcji realizujące wybrane niekoherentne
i koherentne metody optyczne Zadania 22-29
Małgorzata Kujawińska
Instytut Mikromechaniki i FotonikiWydział Mechatroniki PW
Plan Prezentacji
• Cel działań w projekcie MONIT• Zalety polowych, optycznych metod pomiarowych• Systemy zgłoszone w projekcie• Oferta czujników:
– Czujniki realizujące metody niekoherentne– Czujniki realizujące metody koherentne
• Komunikacja czujników z bazą danych• Problemy do rozwiązania
Cel działań w projekcie MONIT
• Wybór koherentnych i niekoherentnych metod pomiarowych w zależności od potrzeb partnerów
• Opracowanie/modyfikacja czujników dla potrzeb pomiarowych projektu
• Integracja czujników realizowanych w projekcie z bazą danych
Zalety polowych, optycznych metod pomiarowych (POMP)
• Przydatność w badaniach dużych i małych obiektów inżynierskich
• Bezstykowy i jednoczesny pomiar w całym polu widzenia – przemieszczenia (u,v,w) lub/i odkształcenia oraz kształt, defektoskopia i pomiar drgań
• Duży zakres czułości, zakresów i pól pomiarowych• Informacja obrazowa umożliwia operatorowi szybką
analizę wizualną
Zalety POMP
Możliwość pomiarów: • Lokalnych
• Globalnych
• Hierarchicznych (połączenie G+L)
(duża czułość/małe pole pomiarowe)
(mała czułość/duże pole pomiarowe)
Możliwość konfiguracji do zadania pomiarowego dostosowanego do elementu/struktury inżynierskiej
Systemy zgłoszone w projekcie
• Systemy monitorowania i pomiaru realizujące wybrane niekoherentne metody optyczne– korelacja obrazu, metoda projekcji prążków metoda
prążków mory, termowizja (wspomaganie)• Systemy monitorowania i pomiaru realizujące wybrane
koherentne metody optyczne– Interferometria siatkowa, cyfrowa interferometria
plamkowa, holografia cyfrowa, optyczna tomografia koherencyjna
Oferta czujników – czujniki realizujące metody niekoherentne
Metoda
Urządzenie Przygo-towanie obiektu
Wielkość
mierzona
Pole pomiarow
e
Czułość Monitoro- wanie
Analiza
Metoda korelacyjna
Jedna kamera dwie kamery
+/- (u,v) (u,v,w)
Od X m2
Do X mm2
0.5 -1 mm
0.X μm
dyskretne Pomiar intensyw
ności
Metoda prążków mory
Kamera + raster + (u,v) Od X m2
Do X cm2
0.2 – 1 mm
XX μm
ciągłe lub dyskretne
Pomiary fazowe
AAOPMetoda projekcji prążków
Projektor + kamera
- kształt (w)
Od X m2
Do X mm2
0.35 mm
0.X μm
dyskretne
• Oferujemy czujniki z pełną ścieżką przetwarzania wyników
Metoda i czujniki cyfrowej korelacji obrazów
Obiekt z powierzchnią często pokrywaną farbą o przypadkowym pigmencie+ ew. wspomaganie znacznikami
CCD1 CCD23DCCD2D
u,v u,v,w
u
v
Metoda mory geometrycznej
Nałożenie na siebie dwóch
struktur periodycznych:
siatki odniesienia
(matryca kamery/siatka wirtualna)
oraz siatki przedmiotowej
CCD
2D (1 kierunek analizy)
obszar monitorowany po obciążeniu
u,
v
Metoda i czujnik mory geometrycznej
Obraz rejestrowany
przez kamerę u(x,y) ex(x,y)
•Przykładowe wyniki pomiarów:
Możliwość pomiarów w czasie obciążenia lub przemieszczeń po pewnym okresie eksploatacji Prostota systemu
Metoda i system projekcji prążków
• Pomiary 2.5D• Pomiary 3D
• Pomiary zmian kształtu
Kompatybilność wyników z CAD/CAM/CAE
Parametry skanerów3DMADMAC:
1) Duża objętość - 1m x 1m x 0,5m - dokładność: 0,1mm - 1 punkt/mm2
2) Średnia objętość - 30cm x 20cm x 10cm - dokładność: 0,03mm - 100 punktów/mm2
3) Mała objętość - 10cm x 7cm x 5cm - dokładność: 0,01mm - 400 punktów/mm2
wysoleniaPełna dokumentacja 3D obiektu
Wspomaganie termowizyjne
Wielkogabarytowe konstrukcje inżynierskie Diagnostyka elementów maszyn
•Hybrydowa analiza obiektów – (u,v,w)+T+MES
Oferta czujników – czujniki realizujące metody koherentne
Metoda
Urządzenie Przygo-towanie obiektu
Wielkość mierzona
Pole pomiarowe
Czułość Monitoro- wanie
Interferometria siatkowa
Ekstensometr + (u,v) Od X mm2
do XXmm2
0.5m- XX nm
dyskretne
Sieć czujników
IS
+ (u,v) (1 x 1) mm2
0.5m- XX nm
dyskretne lub ciągłe
Holografia cyfrowa
Kamera holograficzna
- (w)h(x,y)
(10x10) mm2
XXnm XX µm
Dyskretne lub ciągłe
Interferometria plamkowa (ESPI)
Kamera ESPI +/- (u,v)w(x,y)
Od X mm2
do XXcm2
0.X - X µm Dyskretne lub ciągłe
Tomografia koherencyjna
System OCT Spec. Wymag
-h(x,y)Strukt.wew,.
od X mm2
mm do 0.X mm2
0.x µm – XX nm
Dyskretne
Interferometria siatkowa: zasada
Konfiguracja nieczuła
na drgania
),(
4cos12),( yxu
dyxI
Czułość d/2: typowo 0,5m/prążekPo AAOP 20nm
CG
M
SG
M
Pomiary przemieszczeń w płaszczyźnie
U(x,y)
V(x,y)
Interferometria siatkowa: badania lab.
Mechanika pękania, zmeczenie materiału badania mat. kompozytowych
Ekstensometry i niskokosztowe czujniki IS
Głowica pomiarowa
Dane techniczne:pole pomiarowe: 1.4 mm x 1.4 mmrozdzielczość: 800 x 600 pikseliczułość: 417 nm/prążekzakres przemieszczeń: do 85 μmdokładność: 20 nm
Interferometr po zdjęciu obudowy W przyszłosci
Sieć czujników ????
LaserDetektor CCD
SIATKA ODNIESIENIA
OBIEKT + SIATKA PRZEDMIOTOWA
Ekstensometr siatkowy: wyniki pomiarów
v(x,y) (x,y)Badania spawu tarciowego
Lokalne badania materiałowe
U v x y xy
Cyfrowe kamery holograficzne
Parametry głowicy:• wymiary: 50 mm, długość 100 mm• pole pomiarowe - 10mm x10 mm• obiekt w odległości do 15 cm• detektor: x=8.6 m, 768x574 pikseli
Pomiary:• przemieszczenia pozapłaszczyznowe• kształt
Brak konieczności przygotowania powierzchnii
Cyfrowa interferometria holograficzna
Pomiaryzmian kształtu elementu pod obciążeniem
W (x,y)W (x,y)
Monitorowanie
Wyznaczanie częstotlowości rezonansowych iRozkładu amplitudyDrgań na obiekcie
Metoda i systemy cyfrowej interferometrii plamkowej (DESPI)
Układy do pomiarów
przemieszczeń:
w płaszczyźnie
i
poza
Płaszczyznowych
i drgańSystem handlowyF-my Ettemayer
Optyczna tomografia koherencyjna (OCT) w zastosowaniach inzynierskich
• Nowość: możliwość badania wewnetrznej struktury (defektów) materiałów (system firmy Heliotis AG):
Badania mikrokształtów 3D (WLI) i struktury wewnetrznej (defektow)materiału/elementu
Propozycja: opracowanie przenośnego defektoskopu OCT
Zdalne pomiary: komunikacja czujników z bazą danych
Aplikacje pobierające pomiary z bazy danych do wizualizacji/dalszej obróbki
Komputer centralny przechowujący harmonogram pomiarów, listę czujników i przesyłający pomiary do bazy danych
Zcentralizowana baza danych archiwizująca pomiary przesyłane przez zestaw KC
Czujniki przeprowadzające pomiar na żądanie KC
Komunikacja czujników z bazą danych – przesył informacji
TCP/IP
Jednostka nadrzędna
SERWER
Jednostka podrzędna
KLIENT
PO
RT
BINARNA
TEKSTOWA
Komunikacja między dwoma członami systemu wymaga zachowania jednej strony jako obiektu nadrzędnego, nasłuchującego na konkretnym porcie TCP/IP (SERWER), a drugiej jako obiektu podrzędnego, inicjującego połączenie.
To samo połączenie służy do asynchronicznego przesyłania danych tekstowych (metadanych – data i czas pomiaru, typ czujnika, itp.) oraz binarnych (właściwe dane pomiarowe) za pomocą dwóch oddzielnych kanałów.
Dany obiekt w systemie może pełnić funkcję podrzędną, nadrzędną, lub obie (jak komputer centralny).
Problemy do rozwiązania
• Opracowanie nowych czujników bazujących na metodzie OCT, ESPI i niskonakładowych czujników IS
• Możliwość pracy pozalaboratoryjnej dla wszystkich typów czujników• Wpływ wibracji, pracy w biegu….(np. modyfikacja ich do impulsowych
żródeł światła)• Wpływ niestabilnych warunków atmosferycznych• Zabezpieczenie i prosta (zdalna) obsługa
• Możliwość monitorowania ciągłego i dyskretnego• Opracowanie metod kalibracji systemów na obiekcie• Rozbudowa/dopasowanie bazy danych do potrzeb partnerów
UZGODNIENIE PARAMETRÓW CZUJNIKÓW
Zespół realizujący:Prof. M. KujawińskaDr hab. L. Sałbut Dr R. Sitnik Mgr. D. Łukaszewski Mgr G. Dymny Dyplomanci i studenci ZIF
Dr M. Józwik Dr M. LesniewskiWspółpraca (spoza konsorcjum) z WAT, ITB,….
http:zif.mchtr.pw.edu.pl
Dziękuje za uwagę!