ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 3, с. 104-107
ЛАБОРАТОРНАЯ ТЕХНИКА
УДК 621.397
ТЕЛЕВИЗИОННАЯ ЭНДОСКОПИЧЕСКАЯ СИСТЕМА С ТЕРМОСТОЙКИМ ЗЕРКАЛОМ ИЗ КАРБИДА КРЕМНИЯ © 2014 г. В. А. Карачинов, М. В. Казакова, Д. В. Карачинов
Новгородский государственный университет им. Ярослава Мудрого Россия, 173003, Великий Новгород, ул. Б. С.-Петербургская, 41 E-mail: Polnovo@yandex. ru Поступила в редакцию 18.07.2013 г.
Разработана термостойкая телевизионная эндоскопическая система на основе зеркала, изготовленного из широкозонного полупроводника — карбида кремния. Система обеспечивает визуализацию исследуемых объектов в интервале температур 20—1000°С. Применение вейвлет-функций для обработки слабоконтрастных изображений объектов позволило повысить их качество и детализацию.
БО1: 10.7868/8003281621402027Х
ВВЕДЕНИЕ
Телевизионные системы, обладающие стойкостью к высоким температурам (Т > 700°С), агрессивным газовым средам, повышенным уровням радиации и абразивным потокам, представляют традиционный интерес при создании устройств промышленной безопасности [1, 2]. Такая востребованность обусловлена также рядом известных функциональных и технических достоинств данных систем: возможностью удаленных (свыше 100 м) бесконтактных наблюдений и диагностики объектов и процессов по ряду внешних признаков (геометрическим размерам, яркости, цвету, скорости и др.) в режиме реального времени, а также частичной или полной автоматизации измерений, хранения и документирования информации и др. [3].
Среди термостойких телевизионных систем, наиболее широко представленных на международном рынке, особую актуальность представляют эндоскопические системы промышленного назначения, которые позволяют формировать изображения исследуемых объектов через боковой обзор труднодоступных зон, например, в высокотемпературных теплообменниках, плавильных печах, турбинах и др. [4]. Наряду с очевидными недостатками такие системы имеют существенные достоинства, позволяющие в ряде случаев исключить прямое попадание на входное окно как направленных потоков лучистой энергии большой величины, так и газовых потоков. Выполненные конструктивно в виде теплообменников-зондов с циркулирующей проточной водой и помещенные в горячую зону печи они создают для контролируемой технологии ряд известных проблем и даже опасностей [5].
В качестве термостойкой оптики таких систем применяют элементы (входные окна, линзы), изготовленные из традиционных тугоплавких материалов — кварца или сапфира, а также охлаждаемые металлические зеркала, которые, однако, при высоких температурах подвержены пластической деформации и эрозии из-за высокого давления насыщенного пара. Кроме того, такие зеркала обладают низкой абразивной, радиационной и химической стойкостью, а также большой излу-чательной способностью [6].
Среди известных тугоплавких соединений, которые относятся к классу оптических материалов и нашли в настоящее время широкое применение в оптоэлектронике, особое место занимает карбид кремния. Это соединение представляет собой по существу алмаз, в котором половина атомов углерода заменена атомами кремния, имеющими менее устойчивые ¿^-конфигурации, что обусловливает большие возможности комбинирования функций связи и образования большого числа политипов, обладающих слоистой структурой на уровне наноразмеров и отличающихся физико-химическими свойствами [7].
В данной работе приведены результаты экспериментальных исследований по созданию термостойкой и безопасной телевизионной эндоскопической системы (т.э.с.) с оптически прозрачным зеркалом, изготовленным из широкозонного полупроводника — карбида кремния.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
Нами разработан лабораторный макет т.э.с. (рис. 1), в состав которой вошли: приемный оптический модуль (черно-белая матрица фотоприемников с зарядовой связью (ф.п.з.с.-матрица) УВС-
Рис. 1. Лабораторный макет телевизионной эндоскопической системы: а — структурная схема, б — внешний вид установки. 1 — муфельная печь; 2 — теплообменник; 3 — телевизионная камера; 4 — трубопровод для подачи воздуха; 5 — компрессор; 6 — источник электропитания; 7 — персональный компьютер; 8 — объекты исследования.
545, 760(Н) х 580(У) пикселей, с компьютерным управлением, производства фирмы ЭВС), входной объектив, система оптических фильтров (красный и сине-зеленый), обеспечивающая проведение измерений на эффективной длине волны Хэ = 0.6—0.72 мкм, и система электронного управления ф.п.з.с.
В трубчатом теплообменнике диаметром 12 мм, изготовленном из алундовой керамики, под углом 45° установлено плоское зеркало из карбида кремния политипа 6Н с концентрацией некомпенсированных доноров N — Ыа = (1—3) • 1018 см-3 без видимых макродефектов [8]. Зеркало толщиной 450 мкм имело форму эллипса с размерами большой и малой полуоси 8 и 6 мм соответственно и было вырезано из пластинчатого монокристалла (подложки) с полированными гранями известным методом электроэрозии в жидком диэлектрике. В качестве отражающей поверхности использовалась базовая грань (0001)С. Значение коэффициента отражения этой грани на длине волны X = 650 нм, согласно проведенным исследованиям при комнатной температуре, составляло 0.22.
Теплообменник с помощью стальной муфты соединен с корпусом приемного оптического модуля. Для охлаждения зеркала и стенок использовался воздух, который управляемо по гибкому трубопроводу подавался от компрессора ^55155 DeWALT) под давлением 1 атм через штуцер соединительной муфты в теплообменник и выходил наружу через входное окно т.э.с. Температура зеркала и тест-объектов, в качестве которых использовались винт М3 х 14.40Х.019 и шайба 03 (сталь 40Х, спектральный коэффициент излучения 8^ « 0.4 при Т > 800°С [9]), измерялась с помощью термопары ТХА (хромель-алюмель) с предельно допустимой температурой 1300°С и цифрового вольтметра (МУ-63).
Испытания т.э.с. проводили в муфельной печи, на дно которой помещались тест-объекты, а через отверстие двери в печь вводился теплообменник с входным окном (рис. 1б). Расстояние от входного окна до деталей составляло ~60 мм. Регистрация видеосигнала и управление оптическим модулем осуществлялись через канал связи с помощью п.э.в.м. (программное обеспечение "Радуга", "Парус-К" [8]).
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Визуализация
Эксперименты, проведенные без обдува при температурах, исключающих быструю модификацию отражающей поверхности 81С-зеркала в условиях нагретой воздушной среды муфельной печи, показали возможность надежной визуализации исследуемых тест-объектов (рис. 2). Однако, согласно результатам исследований при температурах зеркала, значительно превышающих 1000°С, получить изображения тест-объектов, пригодные хотя бы для простого анализа, не удавалось, прежде всего, из-за невозможности обеспечить контрастное соотношение объекта и фона.
Качество визуализации лабораторного макета т.э.с. было оценено с помощью контраста изображения, который был рассчитан по измеренным с помощью программного обеспечения "Парус-К" яркостям телевизионных изображений тест-объекта (шайбы) и фона, приведенным к входу телевизионной камеры [10]:
К = (1)
Lф
где К — контраст; Ьоб, Ьф — яркости тест-объекта (шайбы) и фона соответственно.
106
КАРАЧИНОВ и др.
Рис. 2. Визуализация исследуемых тест-объектов при различной температуре в муфельной печи.
Кроме того, был выполнен теоретический расчет контраста по модели, которая учитывала потери энергии при отражении лучистой энергии от зеркала, прохождении через среду, светофильтры и оптическую систему объектива. Дополнительно учитывался шум, обусловленный собственным излучением зеркала, а также прошедшим сквозь зеркало излучением от расположенных за ним сторонних источников. На рис. 3 представлены зависимости контраста изображения, как полученные в ходе проведения экспериментальных исследований на лабораторном макете т.э.с., так и рассчитанные с использованием данных о коэффициентах излучения объекта и фона. Достаточно хорошо видно, что значения контраста К не превышали 0.2 и уменьшались с увеличением температуры. Такой характер изменения К следует связывать в основном с возрастанием собственного излучения зеркала при повышении его температуры [11].
Обработка изображений
Из известных в настоящее время способов повышения качества слабоконтрастных изображений исследуемых тест-объектов, наряду с инструментальными, несомненный интерес представляют методы обработки изображений, описанные в работах [12, 13]. В качестве примера приведем результаты применения технологии вейвлет-функ-ций (преобразования) к рассматриваемой задаче.
На рис. 4а представлено изображение тест-объекта (шайбы), нагретого до Т = 960°С. Исследуемая деталь рассматривалась как локальная неоднородность с отличающимися от области, в которой она находится, характеристиками.
Непрерывное вейвлет-преобразование изображения, которое может быть представлено как некоторая дискретная последовательность {/к} е ¿(К), где к = 1:1еп$Ъ(/), определяется как свертка этой последовательности с базисной функцией ^е Ь (К), которая перенормируется с масштабирующим коэффициентом а е К и сдвигается по пространственной шкале на интервал ЪА; [14]:
к -1
Ща, Ь) = ^ X ЛУ , (2)
где Ь е К — величина сдвига, А; — шаг дискретизации.
Исходное изображение представлялось в виде матрицы мгновенных значений
с = (Си)*хм, - = 1,-,N } = 1,...,м, (3)
где N М — размеры изображения.
Матрица изображения и}} раскладывалась в строку, соответствующую горизонтальному Рк = {р } , а затем и вертикальному Рл/ = {р^ ^ направлениям на изображении, где С = N х М.
Далее осуществлялась свертка полученных горизонтальным и вертикальным разложением одномерных матриц с вейвлетом у. Для обработки такого изображения использовался биортогональ-ный вейвлет, параметры которого были выбраны при проведении экспериментальных исследований с использованием программного пакета МА^АВ [15].
Множество вейвлет-коэффициентов Ж(а, Ъ), полученных после непрерывного вейвлет-преоб-разования, было проанализировано с целью обнаружения особенностей. Для этого определялись экстремумы амплитуды вейвлет-образа на ка
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.