📄Работа №200980
Тема: АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ГОРЕНИЯ
Тип работы
Диссертация
Предмет
физика
Объем:
161 листов
Год:
2019
Просмотров:
61
700
руб.
🛒 Купить работу
Не подходит эта работа?
Закажите новую по вашим требованиям
Узнать цену на написание
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
Настоящий учебно-методический информационный материал размещён в ознакомительных и исследовательских целях и представляет собой пример учебного исследования. Не является готовым научным трудом и требует самостоятельной переработки.
📋 Содержание
Введение 5
ГЛАВА 1. Горение нанопорошков металлов и аппаратура для исследования высокотемпературных процессов 14
1.1. Свойства нанопорошков металлов 14
1.2. Термодинамика и кинетика процессов горения порошков
металлов 17
1.2.1. Горение нанопорошка алюминия в воздухе 17
1.2.2. Горение смесей нанопорошка алюминия и других металлов... 19
1.3. Спектральные характеристики горящих материалов 19
1.4. Аппаратура для исследования исходных материалов и
продуктов сгорания 22
1.4.1. Просвечивающая электронная микроскопия 23
1.4.2. Калориметрия 24
1.4.3. Термография 25
1.5. Методы и аппаратура для исследования процесса горения
нанопорошков 27
1.5.1. Пирометрия 27
1.5.2. Термометрия 28
1.5.3. Синхротронная спектроскопия 29
1.5.4. Использование ударной трубки 32
1.5.5. Измерение коэффициента излучения 33
1.5.6. Лазерный нагрев 34
1.5.7. Лазерное инициирование 35
1.5.8. Скоростная видеорегистрация 37
1.6. Лазерный монитор в задачах диагностики
высокотемпературных процессов 41
1.6.1. Лазерный проекционный микроскоп и лазерный монитор 41
1.6.2. Лазерный монитор на парах бромида меди для наблюдения
высокотемпературных процессов 43
1.7. Лазерная спекл-визуализация 47
1.7.1. Явление лазерных спеклов 48
1.7.2. Применение лазерной спекл-визуализации в задачах
неразрушающего контроля и диагностики 50
1.8. Выводы по главе 1 52
ГЛАВА 2. Аппаратно-программный лазерный комплекс для исследования параметров высокотемпературного горения 54
2.1. Скоростная видеорегистрация горения нанопорошков 54
2.2. Оптическая система на основе усилителя яркости 57
2.2.1. Конструкция активных элементов, используемых в качестве
усилителей яркости 58
2.2.2. Схема исследования оптических характеристик усилителей
яркости 59
2.2.3. Оптическая схема лазерного монитора для наблюдения
процесса горения нанопорошков металлов 62
2.2.4. Синхронизация скоростной камеры и усилителя яркости 67
2.2.5. Схема удаленного наблюдения 68
2.3. Наблюдение процесса горения с использованием лазерной
подсветки 72
2.4. Аппаратура лазерной спекл-визуализации 75
2.4.1. Схема эксперимента по получению и записи лазерных спеклов
для исследования поверхности нанопорошков металлов 75
2.4.2. Методика обработки лазерных спеклов 77
2.4.3. Программное обеспечение для обработки лазерных спекл-
изображений 79
2.5. Комплексная система лазерной визуализации 82
2.6. Объект исследования 84
2.7. Выводы по главе 2 88
ГЛАВА 3. Исследование горения нанопорошков металлов и их смесей с использованием лазерной подсветки и лазерного монитора 89
3.1. Исследование характеристик усилителя яркости 89
3.2. Скоростная визуализация в собственном свете процессов
горения различных нанопорошков в воздухе 96
3.2.1. Нанопорошок алюминия 96
3.2.2. Термитная смесь Al+Fe2O3 98
3.2.3. Смеси наноAl+наноFe, наноAl+АСД-6М+наноFe, наноА1+
АСД-6М +микроFe 100
3.3. Регистрация процесса горения нанопорошков с использованием
лазерной подсветки 101
3.3.1. Нанопорошок алюминия 101
3.3.2. Смесь наноЛ1+наноБе и термитная смесь наноЛ1+Ре2О3 103
3.4. Наблюдение процесса горения нанопорошков металлов с
использованием лазерного монитора 105
3.4.1. Нанопорошок алюминия 105
3.4.2. Смесь нанопорошка алюминия с микропорошком алюминия и
термитная смесь наноЛ1+Ре2О3 110
3.4.3. Дистанционное наблюдение горения смесей наноЛ1+наноБе,
наноЛ1+АСД-6М+наноБе, наноЛ1+ЛСД-6М+микроБе 112
3.4.4. Дистанционное наблюдение горения модельного твердого
топлива 119
3.5. Выводы по главе 3 120
ГЛАВА 4. Исследование динамики процессов с применением метода корреляции цифровых спекл-изображений 123
4.1. Влияние параметров источника излучения и параметров расчета
на погрешность определения коэффициента корреляции 123
4.2. Динамика лазерных спеклов при горении нанопорошков
металлов в воздухе 132
4.3. Выводы по главе 4 142
Заключение 144
Литература 146
Приложение 1 163
ГЛАВА 1. Горение нанопорошков металлов и аппаратура для исследования высокотемпературных процессов 14
1.1. Свойства нанопорошков металлов 14
1.2. Термодинамика и кинетика процессов горения порошков
металлов 17
1.2.1. Горение нанопорошка алюминия в воздухе 17
1.2.2. Горение смесей нанопорошка алюминия и других металлов... 19
1.3. Спектральные характеристики горящих материалов 19
1.4. Аппаратура для исследования исходных материалов и
продуктов сгорания 22
1.4.1. Просвечивающая электронная микроскопия 23
1.4.2. Калориметрия 24
1.4.3. Термография 25
1.5. Методы и аппаратура для исследования процесса горения
нанопорошков 27
1.5.1. Пирометрия 27
1.5.2. Термометрия 28
1.5.3. Синхротронная спектроскопия 29
1.5.4. Использование ударной трубки 32
1.5.5. Измерение коэффициента излучения 33
1.5.6. Лазерный нагрев 34
1.5.7. Лазерное инициирование 35
1.5.8. Скоростная видеорегистрация 37
1.6. Лазерный монитор в задачах диагностики
высокотемпературных процессов 41
1.6.1. Лазерный проекционный микроскоп и лазерный монитор 41
1.6.2. Лазерный монитор на парах бромида меди для наблюдения
высокотемпературных процессов 43
1.7. Лазерная спекл-визуализация 47
1.7.1. Явление лазерных спеклов 48
1.7.2. Применение лазерной спекл-визуализации в задачах
неразрушающего контроля и диагностики 50
1.8. Выводы по главе 1 52
ГЛАВА 2. Аппаратно-программный лазерный комплекс для исследования параметров высокотемпературного горения 54
2.1. Скоростная видеорегистрация горения нанопорошков 54
2.2. Оптическая система на основе усилителя яркости 57
2.2.1. Конструкция активных элементов, используемых в качестве
усилителей яркости 58
2.2.2. Схема исследования оптических характеристик усилителей
яркости 59
2.2.3. Оптическая схема лазерного монитора для наблюдения
процесса горения нанопорошков металлов 62
2.2.4. Синхронизация скоростной камеры и усилителя яркости 67
2.2.5. Схема удаленного наблюдения 68
2.3. Наблюдение процесса горения с использованием лазерной
подсветки 72
2.4. Аппаратура лазерной спекл-визуализации 75
2.4.1. Схема эксперимента по получению и записи лазерных спеклов
для исследования поверхности нанопорошков металлов 75
2.4.2. Методика обработки лазерных спеклов 77
2.4.3. Программное обеспечение для обработки лазерных спекл-
изображений 79
2.5. Комплексная система лазерной визуализации 82
2.6. Объект исследования 84
2.7. Выводы по главе 2 88
ГЛАВА 3. Исследование горения нанопорошков металлов и их смесей с использованием лазерной подсветки и лазерного монитора 89
3.1. Исследование характеристик усилителя яркости 89
3.2. Скоростная визуализация в собственном свете процессов
горения различных нанопорошков в воздухе 96
3.2.1. Нанопорошок алюминия 96
3.2.2. Термитная смесь Al+Fe2O3 98
3.2.3. Смеси наноAl+наноFe, наноAl+АСД-6М+наноFe, наноА1+
АСД-6М +микроFe 100
3.3. Регистрация процесса горения нанопорошков с использованием
лазерной подсветки 101
3.3.1. Нанопорошок алюминия 101
3.3.2. Смесь наноЛ1+наноБе и термитная смесь наноЛ1+Ре2О3 103
3.4. Наблюдение процесса горения нанопорошков металлов с
использованием лазерного монитора 105
3.4.1. Нанопорошок алюминия 105
3.4.2. Смесь нанопорошка алюминия с микропорошком алюминия и
термитная смесь наноЛ1+Ре2О3 110
3.4.3. Дистанционное наблюдение горения смесей наноЛ1+наноБе,
наноЛ1+АСД-6М+наноБе, наноЛ1+ЛСД-6М+микроБе 112
3.4.4. Дистанционное наблюдение горения модельного твердого
топлива 119
3.5. Выводы по главе 3 120
ГЛАВА 4. Исследование динамики процессов с применением метода корреляции цифровых спекл-изображений 123
4.1. Влияние параметров источника излучения и параметров расчета
на погрешность определения коэффициента корреляции 123
4.2. Динамика лазерных спеклов при горении нанопорошков
металлов в воздухе 132
4.3. Выводы по главе 4 142
Заключение 144
Литература 146
Приложение 1 163
📖 Введение
Актуальность работы
Визуализация является одним из основных способов изучения физических процессов и закономерностей. Вещество, существующее в реальности, претерпевает изменения в ходе взаимодействия с другими веществами, и эти изменения приводят к изменениям физических или химических свойств вещества. Посредством наблюдения изменений физических и химических свойств вещества в ходе динамических процессов появляется возможность исследования причин, изменяющих вещество. Существует ряд динамических процессов, исследование которых обычными визуальными методами затруднено или невозможно. Кроме этого, некоторые динамические процессы сопровождают высокотемпературные состояния вещества, исследование которых может быть опасно для наблюдателя или оборудования. В связи с этим разработка методов для наблюдения динамики высокотемпературных процессов является актуальной задачей.
Интерес к изучению динамики высокотемпературных процессов привел к возникновению и развитию нескольких разновидностей методов исследования. Наиболее распространёнными из них являются калориметрия, пирометрия, спектрометрия, использование ряда термопар, расположенных вдоль образца для измерения скорости горения, применение синхротронного излучения, регистрация яркости собственного свечения с использованием фотодиода, скоростная видеорегистрация. Существующие методы позволяют достаточно точно измерять температуру горения и исследовать форму плазменного факела, но не позволяют исследовать поверхность образца в режиме реального времени, в частности исследовать форму фронта горения, морфологию поверхности, отражательную способность. При использовании ряда термопар, термопары разрушаются в ходе измерений, имеют невысокую точность и большую инерционность определения скорости горения.
Среди объектов исследования с помощью скоростной видеорегистрации следует выделить горение нанопорошка алюминия в воздухе. Алюминий является одним из распространенных металлов в земной коре и содержит большую потенциальную энергию. Поэтому нано- и микропорошки алюминия, а также смеси нано- и крупнодисперсных порошков алюминия часто используются в качестве добавок при производстве твердого топлива. В связи с наличием интенсивной фоновой засветки в процессе горения нанопорошка металла непосредственное визуальное наблюдение поверхности порошка существенно затруднено. Лазер как источник монохроматического излучения имеет узкую полосу генерации и усиления. Использование лазера в качестве источника света в методах неразрушающего контроля и диагностики позволяет эффективно подавить интенсивную фоновую засветку и исследовать характер и параметры горения порошков металлов.
Одним из методов неразрушающего контроля является применение лазерных спеклов, в частности метод корреляции цифровых спекл- изображений. Оптические методы на основе интерференции лазерного излучения позволяют определять характер рассеяния света объектом исследования. Изменение оптических свойств нанопорошков во время горения позволяет полагать, что методы спекл-интерферометрии могут использоваться для определения характеристик процесса горения. В частности, изменение коэффициента корреляции цифровых спекл-изображений может являться количественной характеристикой процесса горения, с помощью которой возможно определение скорости и продолжительности стадий горения.
Объектами исследования являются нано- и микропорошки металлов и их оптические характеристики.
Предметом исследования являются методы, алгоритмы и аппараты для наблюдения динамики процессов горения нано- и микропорошков металлов.
Цель исследования: разработка аппаратно-программного комплекса для наблюдения и измерения параметров высокотемпературного горения нано- и микропорошков металлов и их смесей в режиме реального времени.
Для достижения поставленной цели в рамках диссертационной работы необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать макет лазерного монитора для скоростной визуализации, позволяющий исследовать высокотемпературное горение нанопорошков металлов и их смесей. Провести исследование процесса горения нанопорошков металлов с использованием разработанного макета.
2. Разработать способ количественной оценки коэффициента отражения поверхности нанопорошка при наблюдении с помощью лазерного монитора.
3. Определить характер влияния параметров работы усилителя яркости на характеристики излучения.
4. Разработать метод мониторинга на основе анализа спекл-изображений для наблюдения изменения характеристик отражения порошковых (нано- и микропорошки металлов) объектов.
5. Провести оптимизацию параметров обработки лазерных спекл-
изображений и оценить влияние источника излучения на точность измерений.
6. Разработать программное обеспечение, позволяющее проводить анализ спекл-изображений, а также изображений, полученных с помощью лазерного монитора.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Неоднородность усиления в центре пучка, характерная для лазеров на парах металлов, может выравниваться в первые 7-10 нс (18 нс для ГРТ большого активного объема) путем оптимизации концентрации паров рабочего вещества и введения активной добавки HBr. При этом не обеспечивается равномерный профиль на протяжении всего импульса генерации, который не влияет на качество изображения объекта, расположенного на расстоянии до 1 м от активного элемента.
2. Изменение яркости изображений, формируемых усилителем яркости, позволяет оценивать изменение коэффициента отражения поверхности горящего образца нанопорошка в диапазоне до 2,5 раза в режиме реального времени со скоростью нарастания до 180 %/с.
3. Разработанный аппаратно-программный комплекс позволяет проводить качественный и количественный анализ динамики процессов горения нанопорошков на расстоянии до 0,5 м, что превосходит возможности имеющихся лазерных мониторов.
4. Метод корреляции цифровых спекл-изображений позволяет определять скорость протекания и время стадий горения нанопорошков металлов в воздухе.
Достоверность результатов работы
Научные положения и выводы, сформулированные в диссертации, обеспечиваются воспроизводимостью экспериментальных данных, использованием современной регистрирующей аппаратуры и программного обеспечения, согласием результатов измерений, выполненных различными методами и средствами, и непротиворечивостью опубликованным ранее результатам других авторов.
Научная новизна
1. Впервые реализовано наблюдение процессов горения нанопорошков металлов в воздухе с использованием лазерного монитора. Показана возможность изучения морфологии поверхности горящего образца в режиме реального времени.
2. Предложены метод количественной оценки процессов горения по изменению отражательной способности поверхности порошка и устройство, реализующее этот метод.
3. Определен характер влияния параметров работы усилителя яркости на парах бромида меди на радиальное распределение усиления и оптимальные параметры работы для получения равномерного профиля усиления. Выявлено изменение радиального распределения усиления во время импульса генерации.
4. Предложена техника эксперимента на основе метода корреляции цифровых спекл-изображений для определения временных параметров процессов горения нанопорошков.
Практическая ценность результатов
1. Разработан макет лазерного монитора для исследования временных параметров и режима горения нанопорошков металлов и их смесей.
2. Разработан метод количественной оценки процесса горения нанопорошка металла и устройство на его основе, защищенные патентами РФ.
3. Разработан аппаратно-программный комплекс для исследования динамики горения нанопорошков металлов и других рассеивающих сред на основе метода корреляции цифровых спекл-изображений.
Апробация результатов работы
Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях и симпозиумах:
1. XX International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices - EDM’2019, НГТУ, ЗСОЛ «Эрлагол», п. Чемал.
2. VX Международная выставка и научный конгресс «Интерэкспо ГЕО- Сибирь 2019», СГУГиТ, г. Новосибирск.
3. VI International Symposium on Optics and Biophotonics, СГУ, г. Саратов, 2018 г.
4. Progress in Electromagnetic Research Symposium (PIERS) in Shanghai (Китай, 2016 г.), St. Petersburg (Россия, 2017 г.), Toyama (Япония, 2018 г.).
5. Международная научно-практическая конференция «Информационно- измерительная техника и технологии», ТГУ, г. Томск, 2016, 2017, 2018 гг.
6. Всероссийская молодежная научно-практическая конференция «Орбита молодежи», ТПУ, г. Томск, 2017 г.
7. Международная конференция по инновациям в неразрушающем контроле SibTest, ТПУ, г. Новосибирск, 2017 г.
8. NDE 2017 Conference & Exhibition of the society for NDT (ISNT), IIT Madras, Chennai (India).
9. XXI Международная научная конференция студентов и молодых учёных «Современные техника и технологии», ТПУ, г. Томск, 2015 г.
Реализация результатов работы
Результаты работы использованы при выполнении работ по Государственному заданию «Наука», проект № 11.1928.2017/4.6.
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке магистров по направлению 12.04.04 «Биотехнические системы и технологии».
Личный вклад автора состоит в
■ построении оптических схем экспериментов;
■ проведении экспериментальных исследований;
■ разработке методики проведения исследований и обработке цифровых изображений;
■ разработке прототипа прибора для измерения времени свертывания крови;
■ обработке полученных экспериментальных данных, построении графиков и зависимостей, подготовке публикаций.
Постановка задач исследований и анализ полученных данных осуществлялись совместно с научным руководителем. Результаты, составившие основу защищаемых положений, получены лично автором, либо при его определяющем участии.
В работе, на разных её этапах, участвовали сотрудники Томского политехнического университета А.П. Ильин, М.С. Кленовский, Я.С. Пеккер и студенты Томского политехнического университета Ю.Д. Сытник, А.И. Блошкина, П.А. Антипов.
Структура и краткое содержание работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и одного приложения.
Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цели и задачи диссертационной работы, научная новизна и практическая значимость, положения, выносимые на защиту, приведено краткое содержание работы.
В первой главе проведен литературный обзор работ по теме исследования. Рассматриваются основные характеристики и свойства нанопорошков металлов, в частности нанопорошка алюминия и смесей нано- и крупнодисперсных порошков. Рассматриваются такие параметры, как температура и скорость горения, тепловыделение, яркость и другие. Рассматриваются вопросы активации нанопорошков, которая используется для модификации их свойств. Представлена существующая аппаратура и методы исследования динамики процессов горения нанопорошков металлов, а также аппаратура для исследования исходных продуктов и продуктов сгорания. Особое внимание уделяется оптическим методам исследования, в частности скоростной видеосъемке и лазерной визуализации.
Наряду с применением скоростного фотографирования рассматривается явление лазерных спеклов при освещении рассеивающих и отражающих сред когерентным монохроматичным светом. Обсуждаются вопросы применения лазерной спекл-визуализации в контроле.
Во второй главе описываются аппаратура и методы, которые применялись для решения поставленных задач диссертационной работы, их принцип работы и используемые компоненты. Представлены различные оптические системы для наблюдения высокотемпературного горения порошков металлов с использованием скоростной видеорегистрации.
В главе также описывается существующее оборудование для регистрации изображений процесса горения нано- и микропорошков. Отмечается необходимость применения синхронизации скоростной камеры и активного элемента усилителя яркости для повышения качества визуализации. Описывается конструкция активных элементов, используемых в качестве усилителей яркости, и особенности их работы. Приведены схемы для исследования процесса горения нанопорошков с применением лазерного инициирования, с одновременной регистрацией изображений поверхности скоростной камерой и средней яркости изображений быстродействующим фотодиодом. Предложенная схема позволила наблюдать процесс горения нанопорошков металлов на расстоянии 0,5 м. Описывается техника эксперимента для регистрации и обработки лазерных спеклов при освещении поверхности нанопорошков излучением твердотельного лазера с длиной волны 532 нм.
Для верификации метода корреляции цифровых спекл-изображений применялась комплексная схема, комбинирующая три различных метода визуализации, которые дополняют друг друга. Такой подход позволяет одновременно проводить качественную и количественную оценку процесса горения, а также верифицировать используемые методы по отношению друг к другу.
В третьей главе приводятся результаты исследования радиального распределения усиления активной среды усилителя яркости, которое проводилось с целью выявления влияния условий работы усилителя яркости и мощности накачки на профиль усиления и интенсивность пучка излучения и поиска оптимальных режимов визуализации.
Представлены результаты скоростной визуализации в собственном свете процессов горения различных нанопорошков в воздухе, результаты наблюдения процесса горения различных нанопорошков с лазерной подсветкой и результаты исследования процесса горения нанопорошков металлов и смесей с использованием лазерного монитора. Кроме этого, предлагается использовать сигналы средней яркости усилителя яркости для контроля в режиме реального времени отраженного от поверхности горящего образца сигнала, который отслеживает изменение поверхности образца.
В четвертой главе представлены результаты исследования динамики процессов с применением метода корреляции цифровых спекл-изображений.
Рассмотрены вопросы оптимизации параметров обработки лазерных спекл-изображений и влияние источника излучения на точность измерений.
Приводятся результаты исследования динамики лазерных спеклов при горении нанопорошков металлов в воздухе. Для анализа динамики лазерных спеклов использовался коэффициент корреляции спекл-изображений. В диссертации представлены временные зависимости коэффициента корреляции в процессе горения нанопорошка алюминия в воздухе, а также показаны средняя яркость спекл-изображений и средняя яркость изображений лазерного монитора.
В заключении сформулированы основные результаты работы.
В приложении 1 представлен акт использования результатов работы в учебном процессе.
Визуализация является одним из основных способов изучения физических процессов и закономерностей. Вещество, существующее в реальности, претерпевает изменения в ходе взаимодействия с другими веществами, и эти изменения приводят к изменениям физических или химических свойств вещества. Посредством наблюдения изменений физических и химических свойств вещества в ходе динамических процессов появляется возможность исследования причин, изменяющих вещество. Существует ряд динамических процессов, исследование которых обычными визуальными методами затруднено или невозможно. Кроме этого, некоторые динамические процессы сопровождают высокотемпературные состояния вещества, исследование которых может быть опасно для наблюдателя или оборудования. В связи с этим разработка методов для наблюдения динамики высокотемпературных процессов является актуальной задачей.
Интерес к изучению динамики высокотемпературных процессов привел к возникновению и развитию нескольких разновидностей методов исследования. Наиболее распространёнными из них являются калориметрия, пирометрия, спектрометрия, использование ряда термопар, расположенных вдоль образца для измерения скорости горения, применение синхротронного излучения, регистрация яркости собственного свечения с использованием фотодиода, скоростная видеорегистрация. Существующие методы позволяют достаточно точно измерять температуру горения и исследовать форму плазменного факела, но не позволяют исследовать поверхность образца в режиме реального времени, в частности исследовать форму фронта горения, морфологию поверхности, отражательную способность. При использовании ряда термопар, термопары разрушаются в ходе измерений, имеют невысокую точность и большую инерционность определения скорости горения.
Среди объектов исследования с помощью скоростной видеорегистрации следует выделить горение нанопорошка алюминия в воздухе. Алюминий является одним из распространенных металлов в земной коре и содержит большую потенциальную энергию. Поэтому нано- и микропорошки алюминия, а также смеси нано- и крупнодисперсных порошков алюминия часто используются в качестве добавок при производстве твердого топлива. В связи с наличием интенсивной фоновой засветки в процессе горения нанопорошка металла непосредственное визуальное наблюдение поверхности порошка существенно затруднено. Лазер как источник монохроматического излучения имеет узкую полосу генерации и усиления. Использование лазера в качестве источника света в методах неразрушающего контроля и диагностики позволяет эффективно подавить интенсивную фоновую засветку и исследовать характер и параметры горения порошков металлов.
Одним из методов неразрушающего контроля является применение лазерных спеклов, в частности метод корреляции цифровых спекл- изображений. Оптические методы на основе интерференции лазерного излучения позволяют определять характер рассеяния света объектом исследования. Изменение оптических свойств нанопорошков во время горения позволяет полагать, что методы спекл-интерферометрии могут использоваться для определения характеристик процесса горения. В частности, изменение коэффициента корреляции цифровых спекл-изображений может являться количественной характеристикой процесса горения, с помощью которой возможно определение скорости и продолжительности стадий горения.
Объектами исследования являются нано- и микропорошки металлов и их оптические характеристики.
Предметом исследования являются методы, алгоритмы и аппараты для наблюдения динамики процессов горения нано- и микропорошков металлов.
Цель исследования: разработка аппаратно-программного комплекса для наблюдения и измерения параметров высокотемпературного горения нано- и микропорошков металлов и их смесей в режиме реального времени.
Для достижения поставленной цели в рамках диссертационной работы необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать макет лазерного монитора для скоростной визуализации, позволяющий исследовать высокотемпературное горение нанопорошков металлов и их смесей. Провести исследование процесса горения нанопорошков металлов с использованием разработанного макета.
2. Разработать способ количественной оценки коэффициента отражения поверхности нанопорошка при наблюдении с помощью лазерного монитора.
3. Определить характер влияния параметров работы усилителя яркости на характеристики излучения.
4. Разработать метод мониторинга на основе анализа спекл-изображений для наблюдения изменения характеристик отражения порошковых (нано- и микропорошки металлов) объектов.
5. Провести оптимизацию параметров обработки лазерных спекл-
изображений и оценить влияние источника излучения на точность измерений.
6. Разработать программное обеспечение, позволяющее проводить анализ спекл-изображений, а также изображений, полученных с помощью лазерного монитора.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Неоднородность усиления в центре пучка, характерная для лазеров на парах металлов, может выравниваться в первые 7-10 нс (18 нс для ГРТ большого активного объема) путем оптимизации концентрации паров рабочего вещества и введения активной добавки HBr. При этом не обеспечивается равномерный профиль на протяжении всего импульса генерации, который не влияет на качество изображения объекта, расположенного на расстоянии до 1 м от активного элемента.
2. Изменение яркости изображений, формируемых усилителем яркости, позволяет оценивать изменение коэффициента отражения поверхности горящего образца нанопорошка в диапазоне до 2,5 раза в режиме реального времени со скоростью нарастания до 180 %/с.
3. Разработанный аппаратно-программный комплекс позволяет проводить качественный и количественный анализ динамики процессов горения нанопорошков на расстоянии до 0,5 м, что превосходит возможности имеющихся лазерных мониторов.
4. Метод корреляции цифровых спекл-изображений позволяет определять скорость протекания и время стадий горения нанопорошков металлов в воздухе.
Достоверность результатов работы
Научные положения и выводы, сформулированные в диссертации, обеспечиваются воспроизводимостью экспериментальных данных, использованием современной регистрирующей аппаратуры и программного обеспечения, согласием результатов измерений, выполненных различными методами и средствами, и непротиворечивостью опубликованным ранее результатам других авторов.
Научная новизна
1. Впервые реализовано наблюдение процессов горения нанопорошков металлов в воздухе с использованием лазерного монитора. Показана возможность изучения морфологии поверхности горящего образца в режиме реального времени.
2. Предложены метод количественной оценки процессов горения по изменению отражательной способности поверхности порошка и устройство, реализующее этот метод.
3. Определен характер влияния параметров работы усилителя яркости на парах бромида меди на радиальное распределение усиления и оптимальные параметры работы для получения равномерного профиля усиления. Выявлено изменение радиального распределения усиления во время импульса генерации.
4. Предложена техника эксперимента на основе метода корреляции цифровых спекл-изображений для определения временных параметров процессов горения нанопорошков.
Практическая ценность результатов
1. Разработан макет лазерного монитора для исследования временных параметров и режима горения нанопорошков металлов и их смесей.
2. Разработан метод количественной оценки процесса горения нанопорошка металла и устройство на его основе, защищенные патентами РФ.
3. Разработан аппаратно-программный комплекс для исследования динамики горения нанопорошков металлов и других рассеивающих сред на основе метода корреляции цифровых спекл-изображений.
Апробация результатов работы
Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях и симпозиумах:
1. XX International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices - EDM’2019, НГТУ, ЗСОЛ «Эрлагол», п. Чемал.
2. VX Международная выставка и научный конгресс «Интерэкспо ГЕО- Сибирь 2019», СГУГиТ, г. Новосибирск.
3. VI International Symposium on Optics and Biophotonics, СГУ, г. Саратов, 2018 г.
4. Progress in Electromagnetic Research Symposium (PIERS) in Shanghai (Китай, 2016 г.), St. Petersburg (Россия, 2017 г.), Toyama (Япония, 2018 г.).
5. Международная научно-практическая конференция «Информационно- измерительная техника и технологии», ТГУ, г. Томск, 2016, 2017, 2018 гг.
6. Всероссийская молодежная научно-практическая конференция «Орбита молодежи», ТПУ, г. Томск, 2017 г.
7. Международная конференция по инновациям в неразрушающем контроле SibTest, ТПУ, г. Новосибирск, 2017 г.
8. NDE 2017 Conference & Exhibition of the society for NDT (ISNT), IIT Madras, Chennai (India).
9. XXI Международная научная конференция студентов и молодых учёных «Современные техника и технологии», ТПУ, г. Томск, 2015 г.
Реализация результатов работы
Результаты работы использованы при выполнении работ по Государственному заданию «Наука», проект № 11.1928.2017/4.6.
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке магистров по направлению 12.04.04 «Биотехнические системы и технологии».
Личный вклад автора состоит в
■ построении оптических схем экспериментов;
■ проведении экспериментальных исследований;
■ разработке методики проведения исследований и обработке цифровых изображений;
■ разработке прототипа прибора для измерения времени свертывания крови;
■ обработке полученных экспериментальных данных, построении графиков и зависимостей, подготовке публикаций.
Постановка задач исследований и анализ полученных данных осуществлялись совместно с научным руководителем. Результаты, составившие основу защищаемых положений, получены лично автором, либо при его определяющем участии.
В работе, на разных её этапах, участвовали сотрудники Томского политехнического университета А.П. Ильин, М.С. Кленовский, Я.С. Пеккер и студенты Томского политехнического университета Ю.Д. Сытник, А.И. Блошкина, П.А. Антипов.
Структура и краткое содержание работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и одного приложения.
Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цели и задачи диссертационной работы, научная новизна и практическая значимость, положения, выносимые на защиту, приведено краткое содержание работы.
В первой главе проведен литературный обзор работ по теме исследования. Рассматриваются основные характеристики и свойства нанопорошков металлов, в частности нанопорошка алюминия и смесей нано- и крупнодисперсных порошков. Рассматриваются такие параметры, как температура и скорость горения, тепловыделение, яркость и другие. Рассматриваются вопросы активации нанопорошков, которая используется для модификации их свойств. Представлена существующая аппаратура и методы исследования динамики процессов горения нанопорошков металлов, а также аппаратура для исследования исходных продуктов и продуктов сгорания. Особое внимание уделяется оптическим методам исследования, в частности скоростной видеосъемке и лазерной визуализации.
Наряду с применением скоростного фотографирования рассматривается явление лазерных спеклов при освещении рассеивающих и отражающих сред когерентным монохроматичным светом. Обсуждаются вопросы применения лазерной спекл-визуализации в контроле.
Во второй главе описываются аппаратура и методы, которые применялись для решения поставленных задач диссертационной работы, их принцип работы и используемые компоненты. Представлены различные оптические системы для наблюдения высокотемпературного горения порошков металлов с использованием скоростной видеорегистрации.
В главе также описывается существующее оборудование для регистрации изображений процесса горения нано- и микропорошков. Отмечается необходимость применения синхронизации скоростной камеры и активного элемента усилителя яркости для повышения качества визуализации. Описывается конструкция активных элементов, используемых в качестве усилителей яркости, и особенности их работы. Приведены схемы для исследования процесса горения нанопорошков с применением лазерного инициирования, с одновременной регистрацией изображений поверхности скоростной камерой и средней яркости изображений быстродействующим фотодиодом. Предложенная схема позволила наблюдать процесс горения нанопорошков металлов на расстоянии 0,5 м. Описывается техника эксперимента для регистрации и обработки лазерных спеклов при освещении поверхности нанопорошков излучением твердотельного лазера с длиной волны 532 нм.
Для верификации метода корреляции цифровых спекл-изображений применялась комплексная схема, комбинирующая три различных метода визуализации, которые дополняют друг друга. Такой подход позволяет одновременно проводить качественную и количественную оценку процесса горения, а также верифицировать используемые методы по отношению друг к другу.
В третьей главе приводятся результаты исследования радиального распределения усиления активной среды усилителя яркости, которое проводилось с целью выявления влияния условий работы усилителя яркости и мощности накачки на профиль усиления и интенсивность пучка излучения и поиска оптимальных режимов визуализации.
Представлены результаты скоростной визуализации в собственном свете процессов горения различных нанопорошков в воздухе, результаты наблюдения процесса горения различных нанопорошков с лазерной подсветкой и результаты исследования процесса горения нанопорошков металлов и смесей с использованием лазерного монитора. Кроме этого, предлагается использовать сигналы средней яркости усилителя яркости для контроля в режиме реального времени отраженного от поверхности горящего образца сигнала, который отслеживает изменение поверхности образца.
В четвертой главе представлены результаты исследования динамики процессов с применением метода корреляции цифровых спекл-изображений.
Рассмотрены вопросы оптимизации параметров обработки лазерных спекл-изображений и влияние источника излучения на точность измерений.
Приводятся результаты исследования динамики лазерных спеклов при горении нанопорошков металлов в воздухе. Для анализа динамики лазерных спеклов использовался коэффициент корреляции спекл-изображений. В диссертации представлены временные зависимости коэффициента корреляции в процессе горения нанопорошка алюминия в воздухе, а также показаны средняя яркость спекл-изображений и средняя яркость изображений лазерного монитора.
В заключении сформулированы основные результаты работы.
В приложении 1 представлен акт использования результатов работы в учебном процессе.
✅ Заключение
Основные результаты работы:
1. Для ГРТ большого (диаметр 5 см, длина 90 см) и малого (диаметр 2,5 см, длина 50 см) активного объема наиболее равномерное распределение усиления получено при средней мощности излучения 40-60 % от максимального значения. Для этого режима работы температура контейнеров с бромидом меди составила 515-530 °C без добавки HBr (для обеих ГРТ) и 475-500 °C с добавкой HBr (для ГРТ диаметром 5 см).
2. Увеличение концентрации паров бромида меди приводило к сужению профиля усиления активной среды и увеличению усиления в осевой области ГРТ. Этот эффект имел место как с добавкой HBr, так и без нее.
3. Усиление активной среды на парах бромида меди изменялось во время импульса генерации. Для ГРТ диаметром 5 см и длиной 90 см в течение первых 7-12 нс без добавки HBr и до 18 нс с добавкой HBr излучение имело распределение, близкое к гауссовскому. К концу импульса генерации профиль становился кольцевым. Аналогичное изменение профиля усиления наблюдалось в ГРТ диаметром 2,5 см.
4. Использование лазерного монитора на парах бромида меди позволило регистрировать изменения и определять характеристики поверхности образцов нанопорошков металлов во время горения с высоким временным и пространственным разрешением, несмотря на интенсивную фоновую засветку.
5. Применение фотодиодов для регистрации интенсивности выходного сигнала усилителя яркости позволило отслеживать изменения отражения поверхности и количественно характеризовать процесс горения.
6. Разработана схема формирования изображения на основе зеркальной оптики, которая позволила реализовать мониторинг высокотемпературного горения на расстоянии 50 см от оптической схемы.
7. Использование двух схем лазерного монитора с коротким и длинным фокусным расстоянием позволило наблюдать динамику процесса горения как с микрометровым, так и с субмиллиметровым пространственным разрешением.
8. Применена внешняя лазерная подсветка для визуализации горения смесей на основе нанопорошка алюминия, которая в совокупности с цифровой видеорегистрацией позволила оценить поведение и характеристики горения смесей.
9. Впервые применен метод корреляции цифровых спекл-изображений для исследования горения нанопорошков металлов.
10. Разработан аппаратно-программный комплекс на основе различных лазерных методов, который позволяет оценивать объективные параметры процессов, на основе которых может быть разработана оптико-физическая модель динамических процессов для сжигания высокоэнергетических материалов.
1. Для ГРТ большого (диаметр 5 см, длина 90 см) и малого (диаметр 2,5 см, длина 50 см) активного объема наиболее равномерное распределение усиления получено при средней мощности излучения 40-60 % от максимального значения. Для этого режима работы температура контейнеров с бромидом меди составила 515-530 °C без добавки HBr (для обеих ГРТ) и 475-500 °C с добавкой HBr (для ГРТ диаметром 5 см).
2. Увеличение концентрации паров бромида меди приводило к сужению профиля усиления активной среды и увеличению усиления в осевой области ГРТ. Этот эффект имел место как с добавкой HBr, так и без нее.
3. Усиление активной среды на парах бромида меди изменялось во время импульса генерации. Для ГРТ диаметром 5 см и длиной 90 см в течение первых 7-12 нс без добавки HBr и до 18 нс с добавкой HBr излучение имело распределение, близкое к гауссовскому. К концу импульса генерации профиль становился кольцевым. Аналогичное изменение профиля усиления наблюдалось в ГРТ диаметром 2,5 см.
4. Использование лазерного монитора на парах бромида меди позволило регистрировать изменения и определять характеристики поверхности образцов нанопорошков металлов во время горения с высоким временным и пространственным разрешением, несмотря на интенсивную фоновую засветку.
5. Применение фотодиодов для регистрации интенсивности выходного сигнала усилителя яркости позволило отслеживать изменения отражения поверхности и количественно характеризовать процесс горения.
6. Разработана схема формирования изображения на основе зеркальной оптики, которая позволила реализовать мониторинг высокотемпературного горения на расстоянии 50 см от оптической схемы.
7. Использование двух схем лазерного монитора с коротким и длинным фокусным расстоянием позволило наблюдать динамику процесса горения как с микрометровым, так и с субмиллиметровым пространственным разрешением.
8. Применена внешняя лазерная подсветка для визуализации горения смесей на основе нанопорошка алюминия, которая в совокупности с цифровой видеорегистрацией позволила оценить поведение и характеристики горения смесей.
9. Впервые применен метод корреляции цифровых спекл-изображений для исследования горения нанопорошков металлов.
10. Разработан аппаратно-программный комплекс на основе различных лазерных методов, который позволяет оценивать объективные параметры процессов, на основе которых может быть разработана оптико-физическая модель динамических процессов для сжигания высокоэнергетических материалов.
ИЛИ
Поиск аналога
📕 Список литературы
🖼 Скриншоты
🛒 Оформить заказ
⚡ Работу высылаем в течении 5 минут после оплаты.