WWW.DIS.KONFLIB.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 
<< HOME
Научная библиотека
CONTACTS

Pages:     | 1 |   ...   | 13 | 14 ||

Разработка и исследование оптико-электронных методов определения трехмерной формы объектов

-- [ Страница 15 ] --
А.1 Методика измерения температур сложных поверхностей на основе поляризационных термограмм (методика внедрения результатов диссертации в Важнейшей и актуальной задачей современной науки, техники, медицины и производства является точное измерение абсолютной температуры тела. В современной пирометрии и тепловидении разработаны и исследованы ряд методов для неконтактного измерения абсолютной температуры поверхности объектов, которые позволяют сократить перечень априорной информации об измеряемом объекте и снизить погрешность результатов измерения для объектов из различных конструкционных материалов. Тем не менее, для объектов с неплоскими поверхностями имеется ряд ограничивающих обстоятельств.

В общем виде, сигнал регистрируемый тепловизионным интегральным измерительным прибором, равен:

где Wo(T) - функция Планка для интегральной светимости АЧТ; () – индикатриса интегрального коэффициента излучения материала; K – постоянная прибора; – угол ориентации нормали к элементу dA поверхности объекта по отношению к наблюдателю.

Поскольку сигнал, регистрируемый измерительной аппаратурой, зависит от температуры, индикатрисы коэффициента излучения материала, а также формы поверхности (угла ) объекта, то имеется неоднозначность в определении, как формы поверхности, так и абсолютной температуры. Для определения полной необходимой информации при измерении температуры исследуемого объекта нами предлагается использовать разработанные методы определения трехмерной формы объектов [29, 30, 41], которые позволяют определить ориентацию элементов поверхности объекта и в последствии форму поверхности наблюдаемой поверхности и значение индикатрисы (). В предложенных методах информацию об ориентации элемента поверхности получают из анализа регистрируемого собственного излучения, прошедшего через поляризационный фильтр.

воспользуемся понятием вектор-параметр Стокса, с помощью которого поток излучения поверхности в общем виде описывается В формуле (А.2) и далее приняты следующие обозначения:

Ф0 – энергетический поток излучения поверхности элемента dA поверхности; P, t – степень и азимут поляризации собственного излучения элемента поверхности.

При прохождении попеременно, собственного теплового излучения через поляризационный фильтр с азимутами tп=45° и tп=90°, поток излучения можно описать выражениями (А.3), (А.5) и (А.7), в которых Ф1 и Ф2 – поток излучения прошедший поляризационный фильтр с азимутом поляризации поляризационного фильтра с азимутом поляризации 45° и 90°:

С учетом выражений (А.5) и (А.7) нормированные выражения видеосигналов для соответствующей термограммы можно записать в виде:

На основании этих уравнений, степень поляризации теплового излучения для элемента поверхности dA определяется выражением (А.8):

Воспользуемся функциональной зависимостью ориентации элемента dA и его степени поляризации Тогда, формула для определения угла ориентации элемента поверхности имеет вид [2]:

где a – постоянная зависящая от оптических свойств материала.

Для нахождения значения индикатрисы излучения () при измеренном по соотношению (А.10) угле воспользуемся следующими соотношениями.

На основе теории отражения Френеля и закона сохранения энергии величины сигналов для параллельной и перпендикулярной компонент собственного излучения можно записать в виде:

Причём, параллельная ||() и перпендикулярная () компоненты коэффициента излучения материала в зависимости от оптических свойств материала поверхности определяются выражениями (А.13) и (А.14) [13, 36]:

где n и k – действительная и мнимая части комплексного показателя преломления материала поверхности объекта.

Из выражений (А.13) и (А.14) следует зависимость коэффициента излучения поверхности не только от материала, но и от направления ее наблюдения относительно вектора нормали поверхности. Таким образом, применение метода определения формы поверхности объекта уточняет значение коэффициента излучения, который используется для определения температуры в пирометрии и тепловидении как элемент априорной информации об объекте.

Рассмотрим это более подробно. На основании закона СтефанаБольцмана для теплового излучения зависимость видеосигнала интегральной по длинам волн термограммы от температуры поверхности объекта определяется выражением С учетом (А.13) и (А.14) индикатрису коэффициента излучения можно найти:

Тогда температуру поверхности можно определить следующим образом:

где К – постоянная, характеризующая параметры прибора и численно равная тепловизора; о и п – коэффициенты пропускания соответственно оптической системы и ИК поляризатора.

Приведем формулу (А.17) к инженерному виду. Для этого, выражение (А.15) необходимо нормировать постоянной величиной K:

Тогда значение абсолютной температуры определяется по формуле:

где =5,67·10-8 (Вт/м2К4) – постоянная Стефана-Больцмана.

При этом, видеосигнал U должен иметь размерность [В], а K – размерность [В/К4].

Таким образом, на основании анализа поляризационных термограмм с азимутами tп=45° и tп=90° и закона Стефана-Больцмана, разработана методика измерения абсолютной температуры наблюдаемых сложных поверхностей. Данная методика может найти широкое применение при тепловых испытаниях поверхностей авиационной техники, а также при измерении теплозащитных свойств строительных и энергоемких объектов.

А.2 Результаты экспериментальных исследований Экспериментальные исследования абсолютной температуры сложной поверхности летательных аппаратов проводились на базе ФГУП «СибНИА им. С.А. Чаплыгина» г. Новосибирск.

В связи с неравномерным распределением интенсивности теплового излучения неплоской поверхности показания элементов температуры объекта поверхности меняются с изменением угла направления наблюдения излучающей площадки. Значения температуры, измеряемой с направления, совпадающим с направлением вектора нормали площадки и направления, составляющего некоторое значение угла меняются в зависимости от характера индикатрисы излучения материала конструкционного материала поверхности объекта. На рисунке А.1, в качестве примера, приведена индикатриса излучения поверхности танка, которая иллюстрирует неравномерное распределение интенсивности в зависимости от угла наблюдения [20].

Рисунок А.1 – Индикатриса излучения кормовой поверхности танка, В таблице А.1 приведены примеры формы излучающей поверхности и их индикатрисы излучения.

Таблица А.1 – Связь формы и индикатрисы излучения наблюдаемой поверхности Форма излучающей поверхности Форма индикатрисы излучения Следует отметить, что при наблюдении тепловизионной камерой некоторой объектной сцены, которая в зависимости от сложности входящих объектов может быть представлена набором простых элементов, то есть форма, например, самолета может быть сформирована не одной поверхностью, а множеством простых площадок, имеющих различные (но характерные) параметры проекций.

В качестве объекта для исследования в данном эксперименте использовалась носовая часть фюзеляжа летательного аппарата С-80, фотография которого и профиль с маркерами измерения температуры приведены на рисунке А.2б. Среднее арифметические результаты измерения температуры по маркерам, согласно рисунку А.2а, пирометром Thermopoint и тепловизионной камерой InfraCam (параметры приведены в таблице п.3.3) при нормальных климатических условиях (НКУ) и при температуре среды 24,4 °С приведены на рисунке А.3.

Рисунок А.2 – Носовая часть фюзеляжа ЛА С-80: а) фотография ЛА;

Рисунок А.3 – Значения температуры носовой части фюзеляжа ЛА С- Поверхность объекта выполнена из различных по излучательным изменение температурной кривой. При этом, следует отметить участок 6-10, который выполнен из стеклопластика и имеет выпуклую форму с изменяющимся углом между нормалью и направлением измерения, поэтому здесь выражена характерная зависимость изменения температуры от ориентации излучающей площадки.

На основе описанной методики измерения температуры с учетом формы поверхности выполнены эксперименты, конечные результаты которых приведены на рисунке А.4. При этом полученные поляризационные тепловизионные изображения объекта приведены на рисунке Б.1.

В целом на рисунке А.4 приведены следующие значения температуры поверхности объекта: 1 – результаты измерения тепловизионной камерой (ТВП) без учета ориентации элементов поверхности; 2 – результаты измерения температуры пирометром при наблюдении элементов поверхности ЛА с позиции наблюдения ТВП (кривая 1); 3 – результаты измерения температуры пирометром при наблюдении элементов поверхности по их нормали; 3 – результаты измерения температуры по предлагаемой методике на основе поляризационных термограмм.

Кроме того, следует отметить, что пирометр «Thermopoint» был откалиброван по излучению эталонного источника, который входил в комплект контрольно-юстировочной аппаратуры к тепловизору «РадугаЭВМ» («Азовский оптико-механический завод», Россия).

Температура, °С Рисунок А.4 – Результаты измерения температуры сложной поверхности Анализ измерений и данных графиков (рисунки А.3 и А.4) подтверждает относительно её вектора нормали, а также возможность определения температуры сложных поверхностей на основе предложенной методики с использованием поляризационных термограмм.

температуры сложной поверхности ЛА С-80 по предложенной методике показали хорошую сходимость с результатами, которые были получены измерением аттестованными измерительными приборами.

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Поляризационные тепловизионные изображения носовой части Рисунок Б.1 – Поляризационные тепловые изображения самолета С-

ПРИЛОЖЕНИЕ В

Акт использования результатов работы (ФГУП «СибНИА им. С.А. Чаплыгина») Акт использования результатов работы (ФГБОУ ВПО «СГГА») Акт использования результатов работы (ОАО «ПО «НПЗ»)

Pages:     | 1 |   ...   | 13 | 14 ||
 


Похожие работы:

« ЛАРИН АЛЕКСЕЙ АНДРЕЕВИЧ СПОСОБЫ ОЦЕНКИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТОМОГРАФИИ Специальность: 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель -кандидат технических наук, старший научный сотрудник Бакулин В.Н. Научный консультант - кандидат технических наук, доцент Резниченко В.И. Москва 2013 2 Содержание ...»








 
© 2013 www.dis.konflib.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.