eng
Выпуск #5/2025
К. Епифанцев
ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ И ВИХРЕТОКОВЫХ ДАТЧИКОВ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ МУЛЬТИСЕНСОРНЫХ ПРИБОРОВ
ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ И ВИХРЕТОКОВЫХ ДАТЧИКОВ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ МУЛЬТИСЕНСОРНЫХ ПРИБОРОВ
Просмотры: 976
DOI: 10.22184/1992-4178.2025.246.5.136.139
В статье рассматриваются перспективные отечественные разработки мультисенсорных приборов, основанных на использовании оптических и вихретоковых датчиков, а также методов машинного зрения для обработки изображений исследуемых деталей и контроля их качества.
В статье рассматриваются перспективные отечественные разработки мультисенсорных приборов, основанных на использовании оптических и вихретоковых датчиков, а также методов машинного зрения для обработки изображений исследуемых деталей и контроля их качества.
Теги: eddy current sensor multisensor devices optical sensor roundness tester вихретоковый датчик кругломер мультисенсорные приборы оптический датчик
Исследование оптических и вихретоковых датчиков для разработки отечественных мультисенсорных приборов
К. Епифанцев, к.т.н.
В статье рассматриваются перспективные отечественные разработки мультисенсорных систем, основанных на использовании оптических и вихретоковых датчиков, а также методов искусственного интеллекта для обработки изображений исследуемых деталей и контроля их качества.
Методы исследования
С помощью специализированного программного обеспечения исследуется возможность идентификации заготовок тел вращения и оценки их степени загрязненности. Это реализуется благодаря методу машинного зрения, с помощью которого осуществляется первоначальный анализ заготовки. Проект выполнен при грантовой поддержке в рамках конкурса грантов для студентов и аспирантов городских вузов, отраслевых и академических институтов Санкт-Петербурга (2021 г.) по теме «Разработка и тестирование программного обеспечения «BOTSCAN» для бесконтактных измерений».
На рис. 1 представлен алгоритм программы для обработки изображений. Данная программа способна определять внешние дефекты (рис. 2) и распознавать тип материала (Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RU 2019611144, автор – К. В. Епифанцев).
В дополнение к системе визуального контроля изделий для детального обнаружения дефектов применяются два типа датчиков: вихретоковые (ВД) и оптические. Они могут быть использованы как для неметаллических, но отражающих поверхностей, так и для металлических.
ВД нашли широкое применение для контроля и диагностики вращающихся валов различных энергетических установок [1]. Вихретоковые и оптические датчики могут также применяться для компенсации лазерных триангуляторов. Используя такие датчики, можно создавать мультисенсорные приборы как для общих измерений, так и для неразрушающего контроля.
Так, идея мультисенсорного кругломера состоит в совместном использовании оптического (для определенных материалов) и вихретокового (для всех металлов) датчиков. При этом встроенная нейросеть будет корректировать измеряемые значения, учитывая состояние и внешний вид детали, что позволит автоматически оптимизировать предварительные настройки датчиков. На рис. 3 представлен кругломер вихретокового типа [2].
Вихретококруглограммы были впервые упомянуты С. А. Игнатьевым [2, 3]. В приборах автоматизированного вихретокового контроля однородности поверхностного слоя модели ПВК-К2М был впервые реализован новый метод измерения дефектов формы, основанный на создании электрокруглограммы. Метрологические характеристики прибора ПВК-К2М включают следующие параметры:
На экспериментальной установке был исследован датчик вихретокового типа. С этой целью в ИПУСС РАН были проведены измерения на одновитковом вихретоковом преобразователе. В качестве подвижного устройства использовался индикатор частоты, оснащенный на конце пластинчатым прямоугольным щупом размером 5 мм (рис. 4), который перемещался относительно поверхности детали. Экспериментальная задача заключалась в измерении зависимости индуктивности вихретокового датчика от микрометрических смещений щупа относительно различных материалов, преимущественно металлосодержащих.
Зависимость индуктивности вихретокового датчика от величины зазора между ним и деталью исследовалась на индикаторе частоты (позиция 2 на рис.4) с часовым индикатором с ценой деления 0,01 мм.
Измерения проводились цифровым измерителем L, C, R типа E7-12. Полученное с помощью данного прибора активное входное электрическое сопротивление датчика составило 0,055 кОм. Графические представления результатов приведены на рис. 5.
Обсуждение результатов исследования
Для деталей из алюминия, свинца и меди были получены возрастающие зависимости индуктивности датчика от величины зазора между ним и соответствующей деталью. Для ферритового сплава характерна обратнопропорциональная зависимость. В случае с конструкционной сталью и металлом концевой меры длины было зафиксировано крайне слабое изменение индуктивности при изменении величины зазора.
Магнитная проницаемость различных металлов существенно влияет на работу преобразователей. В ряде работ [4–6] изучалось, как характеристики выходного сигнала зависят от типа металла. Согласно проведенным исследованиям, при длительности импульса питания 0,58 мкс на выходе измерительной цепи (ИЦ) формируются напряжения одинаковой амплитуды, но разной полярности при взаимодействии чувствительного элемента (ЧЭ) как с немагнитной (+0,000214 В), так и с магнитной (-0,000214 В
с учетом инверсии) частицами металла (рис. 6).
Помимо описанных выше подходов, использующих нейросети и вихретоковые датчики, для импортозамещения дорогостоящих щупов кругломеров японской компании Mitutoyo применяются аналоги, созданные на основе оптических светоприемных устройств. Стоимость данных аналогов в 7–8 раз ниже оригинальной продукции.
Так, на рис. 7а представлен кругломер японской фирмы, а на рис. 7б – разработанный прототип с электрическим поворотным столом, к которому подведена на специально сконструированном штативе беспроводная оптическая компьютерная мышь с высоким разрешением. С помощью встроенного оптического устройства мышь улавливает изменения положения поверхности детали.
Прототип не требует значительного времени на калибровку и центрирование-выравнивание детали на поворотном столе. Это ускоряет процесс проверки: время подготовки каждой детали сокращается в среднем на 30 %.
Обработка измерительной информации осуществляется с помощью программного обеспечения, написанного на языке Python. Оно преобразует показания, полученные с помощью оптического датчика мыши в численные значения, которые затем передаются на компьютер для дальнейшей обработки и анализа. На рис. 8 представлен интерфейс оператора при фиксации оптической мыши возле поворотного стола.
Таким образом, современные приборы для измерения формы и профиля обладают большим потенциалом, и их массовое внедрение в производство возможно с минимальными издержками.
Выводы
Объединение нескольких датчиков в одном мультисенсорном приборе обеспечивает одновременное измерение нескольких параметров. Это является ключевым конкурентным преимуществом, которое способствует расширению сегмента потребителей на рынке измерительных устройств. Прибор, подобный представленному на рис. 3, совмещающий в себе функции контроля размеров (например, высоты и ширины) и дефектов
покрытия, стал бы крайне выгодным приобретением для предприятий.
Однако при увеличении количества датчиков, интегрированных в единый корпус, производители сталкиваются с серьезной задачей по созданию помехозащищенной схемы. Это критически важно, так как некоторые типы датчиков могут взаимно влиять друг на друга, снижая точность измерений при совместной работе.
Также особое внимание требуется уделить проблеме калибровки и поверки мультисенсорных приборов. Текущая эталонная база нуждается в значительном обновлении, поскольку многие существующие ГОСТы, такие как, например, для кругломеров, опираются на эталоны, разработанные еще в 1980-х годах. При этом для самих мультисенсорных систем специализированные ГОСТы и эталоны для поверки вовсе отсутствуют, что подчеркивает необходимость их параллельного развития с появлением новых решений.
В соответствии с Федеральным законом от 26 июня 2008 года № 102-Ф3 «Об обеспечении единства измерений», данные измерительные системы должны проходить калибровку и поверку. Для этого требуются адекватные, современные и комплексные эталоны, поскольку устаревшие стандарты уже не соответствуют сложным метрологическим задачам мультисенсорных систем. Более того, многие производители включают в свои решения камеры с машинным обучением в качестве измерительных сенсоров, и они также требуют обязательной проверки, так как передают информацию по результатам измерений.
ЛИТЕРАТУРА
Епифанцев К.В., Петров Г.А., Белопухов В. Н., Заякин О. А. Исследование возможности применения одновиткового вихретокового датчика для измерения дефектов формы // Инновационное приборостроение, 2024. Т. 3. № 1. С. 63–76.
Игнатьев С. А. Обеспечение качества формообразования деталей точного машиностроения на основе мониторинга технологического процесса и оборудования: автореф. дис. д-ра техн. наук: 05.13.06, 05.03.01;
Саратовский государственный технический университет. Саратов, 2009. 36 с.
Игнатьев М. А. Обзор методов машинного обучения для применения в задаче идентификации вида дефекта по вихретоковому сигналу // Вестник Саратовского
государственного технического университета, 2023.
№ 2 (97). С. 19–29.
Абрамов С. В. Повышение информативной способности вихретоковых датчиков с различной магнитной проницаемостью // Измерение. Мониторинг. Управление.
Контроль, 2014. № 4 (10). С. 76–81.
Боровик С. Ю., Коршиков И. Г., Секисов Ю. Н. О выборе параметров импульсного питания одновиткового вихретокового датчика для обеспечения близкой чувствительности к частицам металла с различной магнитной проницаемостью // ИПУСС РАН, 2021. № 3 (256). С. 56–62.
Боровик С. Ю., Данильченко В. П., Кутейникова М. М., Секисов Ю. Н. Погрешности измерения осевых перемещений вала в системе контроля состояния радиально-упорного подшипника турбонасосного агрегата жидкостного ракетного двигателя НК-33 на основе одновитковых вихретоковых датчиков // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки, 2024. Т. 32. № 1 (81). С. 86–101.
К. Епифанцев, к.т.н.
В статье рассматриваются перспективные отечественные разработки мультисенсорных систем, основанных на использовании оптических и вихретоковых датчиков, а также методов искусственного интеллекта для обработки изображений исследуемых деталей и контроля их качества.
Методы исследования
С помощью специализированного программного обеспечения исследуется возможность идентификации заготовок тел вращения и оценки их степени загрязненности. Это реализуется благодаря методу машинного зрения, с помощью которого осуществляется первоначальный анализ заготовки. Проект выполнен при грантовой поддержке в рамках конкурса грантов для студентов и аспирантов городских вузов, отраслевых и академических институтов Санкт-Петербурга (2021 г.) по теме «Разработка и тестирование программного обеспечения «BOTSCAN» для бесконтактных измерений».
На рис. 1 представлен алгоритм программы для обработки изображений. Данная программа способна определять внешние дефекты (рис. 2) и распознавать тип материала (Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RU 2019611144, автор – К. В. Епифанцев).
В дополнение к системе визуального контроля изделий для детального обнаружения дефектов применяются два типа датчиков: вихретоковые (ВД) и оптические. Они могут быть использованы как для неметаллических, но отражающих поверхностей, так и для металлических.
ВД нашли широкое применение для контроля и диагностики вращающихся валов различных энергетических установок [1]. Вихретоковые и оптические датчики могут также применяться для компенсации лазерных триангуляторов. Используя такие датчики, можно создавать мультисенсорные приборы как для общих измерений, так и для неразрушающего контроля.
Так, идея мультисенсорного кругломера состоит в совместном использовании оптического (для определенных материалов) и вихретокового (для всех металлов) датчиков. При этом встроенная нейросеть будет корректировать измеряемые значения, учитывая состояние и внешний вид детали, что позволит автоматически оптимизировать предварительные настройки датчиков. На рис. 3 представлен кругломер вихретокового типа [2].
Вихретококруглограммы были впервые упомянуты С. А. Игнатьевым [2, 3]. В приборах автоматизированного вихретокового контроля однородности поверхностного слоя модели ПВК-К2М был впервые реализован новый метод измерения дефектов формы, основанный на создании электрокруглограммы. Метрологические характеристики прибора ПВК-К2М включают следующие параметры:
- время контроля одной детали: 10–40 с;
- точность измерения: 3–5 мкм;
- глубина сканирования поверхности: 50 мкм.
На экспериментальной установке был исследован датчик вихретокового типа. С этой целью в ИПУСС РАН были проведены измерения на одновитковом вихретоковом преобразователе. В качестве подвижного устройства использовался индикатор частоты, оснащенный на конце пластинчатым прямоугольным щупом размером 5 мм (рис. 4), который перемещался относительно поверхности детали. Экспериментальная задача заключалась в измерении зависимости индуктивности вихретокового датчика от микрометрических смещений щупа относительно различных материалов, преимущественно металлосодержащих.
Зависимость индуктивности вихретокового датчика от величины зазора между ним и деталью исследовалась на индикаторе частоты (позиция 2 на рис.4) с часовым индикатором с ценой деления 0,01 мм.
Измерения проводились цифровым измерителем L, C, R типа E7-12. Полученное с помощью данного прибора активное входное электрическое сопротивление датчика составило 0,055 кОм. Графические представления результатов приведены на рис. 5.
Обсуждение результатов исследования
Для деталей из алюминия, свинца и меди были получены возрастающие зависимости индуктивности датчика от величины зазора между ним и соответствующей деталью. Для ферритового сплава характерна обратнопропорциональная зависимость. В случае с конструкционной сталью и металлом концевой меры длины было зафиксировано крайне слабое изменение индуктивности при изменении величины зазора.
Магнитная проницаемость различных металлов существенно влияет на работу преобразователей. В ряде работ [4–6] изучалось, как характеристики выходного сигнала зависят от типа металла. Согласно проведенным исследованиям, при длительности импульса питания 0,58 мкс на выходе измерительной цепи (ИЦ) формируются напряжения одинаковой амплитуды, но разной полярности при взаимодействии чувствительного элемента (ЧЭ) как с немагнитной (+0,000214 В), так и с магнитной (-0,000214 В
с учетом инверсии) частицами металла (рис. 6).
Помимо описанных выше подходов, использующих нейросети и вихретоковые датчики, для импортозамещения дорогостоящих щупов кругломеров японской компании Mitutoyo применяются аналоги, созданные на основе оптических светоприемных устройств. Стоимость данных аналогов в 7–8 раз ниже оригинальной продукции.
Так, на рис. 7а представлен кругломер японской фирмы, а на рис. 7б – разработанный прототип с электрическим поворотным столом, к которому подведена на специально сконструированном штативе беспроводная оптическая компьютерная мышь с высоким разрешением. С помощью встроенного оптического устройства мышь улавливает изменения положения поверхности детали.
Прототип не требует значительного времени на калибровку и центрирование-выравнивание детали на поворотном столе. Это ускоряет процесс проверки: время подготовки каждой детали сокращается в среднем на 30 %.
Обработка измерительной информации осуществляется с помощью программного обеспечения, написанного на языке Python. Оно преобразует показания, полученные с помощью оптического датчика мыши в численные значения, которые затем передаются на компьютер для дальнейшей обработки и анализа. На рис. 8 представлен интерфейс оператора при фиксации оптической мыши возле поворотного стола.
Таким образом, современные приборы для измерения формы и профиля обладают большим потенциалом, и их массовое внедрение в производство возможно с минимальными издержками.
Выводы
Объединение нескольких датчиков в одном мультисенсорном приборе обеспечивает одновременное измерение нескольких параметров. Это является ключевым конкурентным преимуществом, которое способствует расширению сегмента потребителей на рынке измерительных устройств. Прибор, подобный представленному на рис. 3, совмещающий в себе функции контроля размеров (например, высоты и ширины) и дефектов
покрытия, стал бы крайне выгодным приобретением для предприятий.
Однако при увеличении количества датчиков, интегрированных в единый корпус, производители сталкиваются с серьезной задачей по созданию помехозащищенной схемы. Это критически важно, так как некоторые типы датчиков могут взаимно влиять друг на друга, снижая точность измерений при совместной работе.
Также особое внимание требуется уделить проблеме калибровки и поверки мультисенсорных приборов. Текущая эталонная база нуждается в значительном обновлении, поскольку многие существующие ГОСТы, такие как, например, для кругломеров, опираются на эталоны, разработанные еще в 1980-х годах. При этом для самих мультисенсорных систем специализированные ГОСТы и эталоны для поверки вовсе отсутствуют, что подчеркивает необходимость их параллельного развития с появлением новых решений.
В соответствии с Федеральным законом от 26 июня 2008 года № 102-Ф3 «Об обеспечении единства измерений», данные измерительные системы должны проходить калибровку и поверку. Для этого требуются адекватные, современные и комплексные эталоны, поскольку устаревшие стандарты уже не соответствуют сложным метрологическим задачам мультисенсорных систем. Более того, многие производители включают в свои решения камеры с машинным обучением в качестве измерительных сенсоров, и они также требуют обязательной проверки, так как передают информацию по результатам измерений.
ЛИТЕРАТУРА
Епифанцев К.В., Петров Г.А., Белопухов В. Н., Заякин О. А. Исследование возможности применения одновиткового вихретокового датчика для измерения дефектов формы // Инновационное приборостроение, 2024. Т. 3. № 1. С. 63–76.
Игнатьев С. А. Обеспечение качества формообразования деталей точного машиностроения на основе мониторинга технологического процесса и оборудования: автореф. дис. д-ра техн. наук: 05.13.06, 05.03.01;
Саратовский государственный технический университет. Саратов, 2009. 36 с.
Игнатьев М. А. Обзор методов машинного обучения для применения в задаче идентификации вида дефекта по вихретоковому сигналу // Вестник Саратовского
государственного технического университета, 2023.
№ 2 (97). С. 19–29.
Абрамов С. В. Повышение информативной способности вихретоковых датчиков с различной магнитной проницаемостью // Измерение. Мониторинг. Управление.
Контроль, 2014. № 4 (10). С. 76–81.
Боровик С. Ю., Коршиков И. Г., Секисов Ю. Н. О выборе параметров импульсного питания одновиткового вихретокового датчика для обеспечения близкой чувствительности к частицам металла с различной магнитной проницаемостью // ИПУСС РАН, 2021. № 3 (256). С. 56–62.
Боровик С. Ю., Данильченко В. П., Кутейникова М. М., Секисов Ю. Н. Погрешности измерения осевых перемещений вала в системе контроля состояния радиально-упорного подшипника турбонасосного агрегата жидкостного ракетного двигателя НК-33 на основе одновитковых вихретоковых датчиков // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки, 2024. Т. 32. № 1 (81). С. 86–101.
Отзывы читателей
