авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Оптико-электронный комплекс дистанционной идентификации строительных материалов cпециальность –

-- [ Страница 1 ] --

профессионального образования

На правах рукописи

Беляева Мария Александровна

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ КОМПЛЕКС ДИСТАНЦИОННОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Cпециальность – 05.11.07

Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Научный руководитель: к.т.н., доцент, Трофимов В.А.

Санкт-Петербург

2012 г.

Работа выполнена в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики

Научный руководитель – кандидат технических наук, доцент,

Трофимов Владимир Анатольевич

Официальные оппоненты – доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой ЛТ и ЭП НИУ ИТМО,
Вейко Вадим Павлович
кандидат технических наук, ведущий
научный сотрудник СПбГЭТУ "ЛЭТИ",
Ветров Андрей Анатольевич

Ведущая организация – Санкт-Петербургский государственный горный университет

Защита состоится " 5 " июня 2012 г. в 17 часов 30 минут.

на заседании специализированного совета Д.212.227.01 "Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы" при Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: г. Санкт-Петербург, пер. Гривцова, д.14, ауд. 314а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

ФГБОУ ВПО «СПб НИУ ИТМО»

Автореферат разослан " 2 " мая 2012 г.

Ваши отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим направлять в адрес университета: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49, секретарю диссертационного совета Д 212.227.01.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.227.01 В. М. Красавцев

Актуальность работы. С момента создания первых лазеров широкое распространение получила лазерная обработка различного рода материалов как органического, так и неорганического происхождения. Мощное лазерное излучение нашло свое применение в различных областях науки и техники (резка, сверление, сварка, маркировка материалов, бурение и др). Зачастую для этих задач используются высокомощные лазерные установки совместно с волоконно-оптическим трактом передачи излучения. При этом лазерное излучение по оптическому волокну передается к труднодоступным местам на большие расстояния. В ходе работы может возникнуть необходимость в получении информации о материале, обрабатываемом лазерным излучением в текущий момент времени, поскольку от нее может зависеть как оптимизация режимов воздействия на различные материалы, так и результат проводимой операции. Данное обстоятельство определяет актуальность разработки вспомогательного оптоэлектронного оборудования, обеспечивающего дистанционное определение типа материала, обрабатываемого мощным лазерным излучением. Также целесообразной является автоматизация процесса идентификации типа материала, которая может быть основана, к примеру, на разработке соответствующего программного обеспечения, анализирующего информацию о факеле, образуемом в зоне обработки. Автоматизация может способствовать как сокращению времени проведения анализа, так и снижению требований к квалификации оператора.

Цель работы. Цель диссертационной работы состоит в разработке способа и оптико-электронного комплекса дистанционной идентификации материалов, подвергающихся воздействию мощного лазерного излучения.

Задачи, требующие проведения диссертационных исследований:

  • анализ существующих методов и средств технической диагностики плазменного факела;
  • определение возможности трансляции информации о факеле по каналу его возбуждения (по принципу обратной связи);
  • разработка оптико-электронной схемы дистанционного определения типа материала при воздействии на него лазерного излучения мощностью не менее 1 кВт;
  • идентификация типа материала по спектрограмме плазменного факела;
  • создание базы спектрограмм, характерных для различных материалов;
  • автоматизация процесса идентификации.

Объект исследования. Объектом проводимого исследования является излучение факела, образующегося в ходе эмиссии возбужденных с помощью лазера атомов и молекул веществ, входящих в состав строительных материалов.

Методы исследования. Одним из основных методов, используемых для исследовательской работы, является качественный метод атомно-эмиссионного спектрального анализа веществ. Из общих методов, используемых как на эмпирическом, так и на теоретическом уровне исследования, в работе нашли свое применение метод идентификации объектов-оригиналов, анализ и синтез, а также методы математического и программного моделирования.

Научная новизна определяется тем, что установлена возможность проведения идентификации типов строительных материалов путем проведения спектрального анализа факела, образующегося в зоне воздействия лазерного излучения на поверхности материала, при следующих условиях:

  • дистанционно (на расстоянии, ограниченном длиной волокна, которая может достигать нескольких сотен метров);
  • с использованием волоконного непрерывного лазера. Указанный тип источника является одним из наиболее перспективных с точки зрения создания мощных малогабаритных лазерных установок с высоким КПД и хорошим качеством лазерного излучения (малой расходимостью);
  • по принципу обратной связи, при котором подача лазерного излучения и перенос информации о факеле осуществляются по одному и тому же каналу связи (оптическому волокну).

Основные результаты, выносимые на защиту.

  1. Методика формирования спектрограмм путем трансляции информации о факеле по каналу его возбуждения (по принципу обратной связи).
  2. Принцип построения оптико-электронного комплекса для идентификации основных типов строительных материалов в условиях отсутствия доступа к месту их обработки.
  3. Критерии оценки спектрограмм, устанавливающие связь между исследуемой спектрограммой и эталонными.
  4. Методика автоматизации сравнения исследуемых спектрограмм с эталонными.

Практическая значимость.

1. Разработанный метод позволяет дистанционно идентифицировать типы строительных материалов в труднодоступных местах:

  • в процессе проведения диагностики во время аварийно-спасательных работ;
  • в ходе зондирования строительных конструкций перед их реставрацией;
  • при формировании протяженных отверстий с использованием лазерной дрели.

2. К основным достоинствам разработанного способа следует отнести:

  • производительность проведения исследования;
  • возможность проведения идентификации материала без прерывания процесса лазерной обработки;
  • простота внедрения в процесс лазерной обработки за счет минимального дополнительного технологического обеспечения.

Область применения результатов. Разработанный способ может быть использован в различных областях науки и техники. Результаты диссертационных исследований реализованы в серии работ в рамках Гособоронзаказа.

Личный вклад автора. Разработка схемы проведения экспериментов, проведение исследований, анализ результатов, разработка математических описаний критериев сравнения спектрограмм, выводы и научные положения, приведенные в диссертационной работе, получены лично соискателем. Общая постановка целей и задач исследования, подготовка к публикации полученных результатов проведена совместно с научным руководителем работы, Трофимовым В.А.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены автором на следующих научных конференциях: XLI научная и учебно-методическая конференция СПб НИУ ИТМО (г. Санкт-Петербург, 2012 г.), I Всероссийский конгресс молодых ученых (10-14 апреля 2012 г., СПб НИУ ИТМО, г. Санкт-Петербург).

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в четырех статьях, в том числе две статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК для кандидатских диссертаций (перечень от 01.01.2007 г.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения. Объем работы составляет 125 листов. Работа содержит 76 рисунков, в списке литературы 38 наименований.

Содержание диссертации.

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулирована цель и содержание поставленных задач, указан объект и предмет исследования, представлены используемые методы исследования, определены положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе представлен обзор нескольких так называемых "интеллектуальных" систем, обеспечивающих получение информации об обрабатываемом лазерным излучением материале. В рассмотренных системах используется принцип обратной связи, при котором подача лазерного излучения и перенос информации об обрабатываемом материале происходят по одному и тому же каналу связи. В состав таких систем входят средства диагностики и управления процессами воздействия на материал в реальном масштабе времени с соответствующим программно - информационным обеспечением. К таким разработкам относится, например, хирургическая установка на основе СО2-лазера с системой контроля процесса фотодеструкции биоткани. Для организации оптико-информационного канала обратной связи в такой установке использован метод доплеровской диагностики лазерного испарения биотканей, основанный на автодинном детектировании (прием на резонатор СО2 лазера) обратно рассеянного из зоны воздействия излучения.

Из приведенных в главе примеров видно, что применительно к технологии дистанционной обработки строительных материалов с использованием мощного лазерного излучения, передаваемого в рабочую зону по оптическому волокну, решения этой задачи на сегодняшний момент не существует.

Отдельным разделом в главе рассмотрен способ дистанционной идентификации типа строительного материала путем регистрации времени разгорания и относительной яркости факела, возникающего под воздействием лазерного излучения на поверхности обработки того или иного материала. Однако указанный способ позволяет идентифицировать весьма ограниченное количество строительных материалов.

В конце главы сделан вывод о необходимости поиска новых способов проведения дистанционной идентификации строительного материала.

Во второй главе описаны основные процессы разрушения материалов лазерным излучением, которые в общем случае могут быть представлены следующими стадиями:

  • поглощение света и последующая передача энергии внутрь тела;
  • нагревание материала без разрушения;
  • изменение агрегатного состояния вещества (плавление, испарение, сублимация, термодеструкция);
  • остывание материала после прекращения облучения.

Каждая из этих стадий наблюдается при разрушающем действии излучения на материал. Первые три стадии во многом определяют производительность технологических операций. Вторая, третья и четвертая стадии ответственны за структурные и физико-химические превращения в облучаемом материале. Именно в процессе протекания второй и третьей стадии веществу передается энергия, необходимая для возбуждения атомов и молекул веществ, входящих в состав материала.

В данной главе делался акцент на характер влияния лазерного излучения на неметаллы, к которым относится большинство строительных материалов.

Известен тот факт, что эффективность обработки большинства диэлектриков с использованием лазерного излучения с длиной волны 1,06 мкм ниже, чем при использовании лазерного излучения с длиной волны 10,6 мкм (из-за меньшей прозрачности материалов на этой длине волны). Однако лазерные источники, генерирующие излучение с длиной волны 1,06 мкм (в частности волоконные лазеры) имеют ряд следующих преимуществ по сравнению с остальными типами лазерных установок:

  • КПД до 30%;
  • высокое качество выходящего излучения (малая числовая мера дифракции –
    М2<1.1 мммрад);
  • минимальные (в сравнении с другими типами лазеров) габариты и масса;
  • возможность использования воздушной системы охлаждения;
  • модульность конструкции и возможность увеличения мощности путем установки дополнительных модулей накачки;
  • возможность передачи излучения по волокну длиной в сотни метров;
  • пылезащищенное исполнение;
  • высокая надежность (общий ресурс 50 000 - 100 000 часов);
  • минимальные (в сравнении с другими типами лазеров) эксплуатационные расходы;
  • отсутствие расходных компонентов или материалов (не требует периодического технического обслуживания специалистами в течение срока службы);
  • простота обслуживания.

Помимо этого существуют данные, показывающие, что при соответствующих условиях (повышении плотности мощности до 105 – 106 Вт/см2) лазерная энергия может эффективно поглощаться материалом, даже если начальное отражение велико.

Приведенные аргументы объясняют целесообразность использования волоконного лазера для обработки различного рода материалов.

В главе приведены теоретические данные, дающие приблизительную оценку величине плотности мощности, необходимой для испарения материалов.

По этим данным механизм испарения реализуется при разделении всех материалов, облучаемых короткими импульсами, обеспечивающими плотность мощности на поверхности не менее 107 Вт/см2. Однако удельная энергия и температура испарения (термодеструкции с переходом в газообразное состояние) многих неметаллов достаточно низки, поэтому режим испарения наблюдается уже при плотностях мощности порядка 104 – 105 Вт/см2 и легко обеспечивается при использовании лазеров непрерывного действия.

Предварительная оценка минимального значения мощности лазерного излучения, необходимого для разрушения материала (Рразр), которое характеризует процесс образования отверстия в приближении, что вся энергия лазерного излучения расходуется исключительно на плавление и испарение обрабатываемого материала (его разрушение).

Величину Рразр можно рассчитать по формуле:

Рразt=Cm(Tп-T0)+пm+Cm(Tи-Tп)+rиm, (1)

где m - масса; п - удельная теплота плавления; rи - удельная теплота парообразования; С - удельная теплоемкость; Tп - температура плавления;
Tи - температура испарения; Т0 - начальная температура; t - время воздействия излучения.

Из выражения 1 можно определить минимальную плотность энергии, необходимую для разрушения материалов:

, (2)

где p – плотность материала, l – длина формируемого отверстия.

Используя справочные данные, было получено, что минимальная плотность энергии лазерного излучения, необходимая для разрушения кирпича на глубину
1 мм, составляет приблизительно 5,2102Дж/см2. В полученной величине учитывается суммарный вклад (в размере 30% от Рраз) следующих потерь мощности: потери в результате протекания химических реакций, потери в факеле, образующимся внутри отверстия и на поверхности материала, потери мощности, обусловленные отражением лазерного излучения от поверхности обработки, обусловленные охлаждением обрабатываемого материала потоком вспомогательного газа, и обусловленные теплопроводностью обрабатываемого материала.

Далее приводятся экспериментальные данные порогов разрушения некоторых строительных материалов и металлов под действием лазерного излучения.

Нижней границей плотности энергии излучения, при которой начинается процесс термодеструкции с переходом в газообразное состояние, является плотность около 10 кДж/см2 для металлов, и от 0,2 до 0,8 кДж/см2 для бетона, кирпича, гранита, кафеля. Таким образом, для кирпича экспериментально полученный результат совпадает с теоретическим.

Для сосны, бука процесс разрушения начинается при плотностях от 80 до
100 Дж/см2. Наиболее низкопороговым материалом является пенопласт (порог разрушения составляет единицы Дж/см2).

Приведен расчет температуры в центре облучаемого лазерного пятна, обеспечиваемой на поверхности керамического кирпича. Для точечного источника с гауссовым профилем расчет выполняется по формуле:

, (3)

где q0 –мощность на единицу площади, r0 – радиус пучка, t – коэффициент теплопроводности материала, a – коэффициент температуропроводности, t – длительность воздействия излучения.

Используя справочные данные для керамического кирпича и условия проведения исследований настоящей работы (радиус пучка на поверхности материала - 0,02 см, длительность подачи излучения - 10 мс, плотности мощности излучения - 105 Вт/см2), получаем температуру на поверхности кирпича порядка 6105 К (порядок соответствует температуре низкотемпературной плазмы).

Таким образом, можно сделать предположение, что наблюдаемое в процессе исследований в зоне обработки излучение можно назвать для некоторых материалов низкотемпературной плазмой, и что плотность энергии порядка 6103 Дж/см2 (средняя мощность излучения составляет 1 кВт, длительность воздействия – 1 мс, площадь лазерного пучка на поверхности обработки – 1,610-3 см2), генерируемая используемым в работе непрерывным иттербиевым волоконным лазером, обеспечивает процесс термической деструкции основных строительных материалов.

В третьей главе обозначены основные принципы проведения атомно-эмиссионного спектрального анализа.

Объяснена природа формирования различных типов спектров, которые делятся на линейчатые, полосатые и сплошные.

В этой главе приводится обобщенная структурная схема спектрального прибора.

В состав типового спектрального прибора входят следующие основные элементы:



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

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.