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!