Технологии, которые выбирают
профессионалы

Unilux Europe GmbH: Для чего нужен стробоскоп?

При использовании стробоскопа для наблюдения за движущимся объектом свет оказывает такое же влияние на глаза, как и вспышка фотокамеры на плёнку. Каждый импульс стробоскопа даёт чёткое, ясное изображение, поэтому можно рассматривать мельчайшие детали объекта или поверхности на высоких скоростях без возникновения эффекта смазывания. Именно по этой причине стробоскопическое освещение используется как инструмент для визуального осмотра невооружённым глазом многих непрерывных процессов, а также для усовершенствования анализа движения или видеографии.

Стробоскопическое освещение широко применяется в тех областях промышленности, где оператор должен наблюдать за процессом производства, но наблюдение затруднено из-за эффекта смазывания. Настройки стробоскопа и получаемый результат будут зависеть от области промышленности, процесса, продукта и внешнего освещения.

 

Что такое стробоскопическое освещение?

Стробоскоп – это источник света, который мгновенно загорается и потухает. Это инструмент для демонстрации и настройки движущихся или вибрирующих объектов с помощью подсвечивания их импульсными лампами для создания эффекта неподвижности.


Стробоскоп был изобретён в 1836 году Жозефом Антуаном Фердинаном Плато, профессором Гентского университета (Бельгия). В 1931 году профессор Массачусетского Технологического Института д-р Гарольд Юджин Эджертон разработал ксеноновую импульсную лампу. Благодаря этому изобретению стробоскоп получил применение ещё и в фотографии, а также во многих областях коммерции и промышленности.


Стробоскопическая лампа производит очень короткую вспышку света длиною в одну стотысячную секунды. Благодаря коротким вспышкам высокой интенсивности изображение предмета «застывает» на cетчатке глаза, создавая чёткий стоп-кадр. Если предмет продолжает двигаться, его движение воспринимается как серия стоп кадров, будь то движение бейсбольного мяча или танец человека под светом стробоскопа на дискотеке.

В основном люди сталкиваются с действием стробоскопа на дискотеках или при проведении осмотра двигателя с помощью стробоскопических ламп. В таких случаях частота вспышки достаточна низка, поэтому человек может с лёгкостью проследить паузу между вспышками лампы. При этом прибор, как правило, работает с частотой 10-30 вспышек в секунду (10-30 Гц) и создаёт эффект мерцания.

Когда лампа стробоскопа превышает скорость 60Гц, вспышки появляются настолько часто, что человеческий глаз не улавливаем момент включения/выключения света. Таким образом больше не ощущается раздражающего мерцания, как в вышеуказанных случаях.

Работа стробоскопов с частотой выше 60Гц внешне ничем не отличается от освещения люминесцентными лампами или лампами накаливания, кроме того, что стробоскоп освещает движущийся предмет, создавая его чёткое изображение, на котором фокусируется глаз.

 

Как работает стробоскопическая лампа?

Когда предмет движется быстро, то глаза не могут сосредоточиться на нём. В зависимости от скорости движения предмета по отношению к расстоянию от смотрящего предмет может казаться размытым (расплывчатым) изображением. Например, лопасти вентилятора при вращении кажутся полупрозрачной плоскостью. Наблюдатель пытается сконцентрироваться на лопастях, но так как они продолжают движение, глаза получают только размытую картинку:

Размытие изображения называется «motion blur» (смазывание). Из-за эффекта смазывания невозможно чётко видеть предмет, движущийся со скоростью 80 м/мин, и довольно затруднительно различить предмет, скорость которого находится в диапазоне от 40 до 80 м/мин.

Попытки сконцентрироваться на движущемся предмете ясно демонстрируют нам ограниченность нашего зрения. Реагирование глаза на свет можно сравнить с реакцией химических веществ на плёнке фотоаппарата. Когда свет попадает на химические вещества, они активируются и формируют изображение на плёнке. Если фотографируемый объект движется слишком быстро, изображение получается смазанным. Чтобы решить эту проблему, фотограф увеличивает выдержку затвора. При короткой выдержке сокращается время активации светом химического материала. Так как затвор открыт на меньший интервал времени, объект лучше фиксируется и получается менее размытым на плёнке. Таким образом, фотограф получает более чёткое изображение. Очевидно, что мы не можем увеличить частоту восприятия наших глаз, поэтому нам необходимо подобрать подходящий фотографический затвор, который не произведёт разрушающий, раздражающий или ограничивающий наши возможности эффект.

Вспышка стробоскопической лампы замораживает движение предмета так же, как это делает затвор фотоаппарата. На вспышку длиною 10-30 мкс сетчатка глаза реагирует как на стоп-кадр. Объект, движущийся со скоростью 600 м/мин, проходит расстояние в 0,1 мм за это время, и оно представляется настолько ничтожным, что глаз воспринимает его как отсутствие движения. Таким образом устраняется эффект размытости и повышается контрастность, которая имеет решающее значение для выделения и распознавания предмета. При увеличении частоты вспышки в поле зрения глаза прокручивается последовательность изображений, которая стимулирует выявление и идентификацию дефектов. Когда глаз видит один и тот же дефект несколько раз, он сосредотачивается на нём и дефект отпечатывается в сознании.

 

Синхронизация стробоскопической вспышки

При изменении времени появления вспышки стробоскопа или интервалов между вспышками (частоты вспышек) движущийся или вращающийся объект может казаться:

  1. остановившимся
  2. немного отклоняющимся вперёд или назад.

В вышеупомянутом примере с вентилятором лопасть будет казаться неподвижной, если вспышка будет синхронизирована с определённым положением лопасти при вращении. Это происходит оттого, что стробоскопическая вспышка отображает одно и то же изображение на сетчатке глаза. Поскольку сетчатка не видит движения лопастей между импульсами стробоскопа, глаз воспринимает это как состояние покоя.

Если стробоскоп синхронизирован на частоту вспышек, немного превышающую скорость вращения вентилятора, то лопасть не будет успевать принимать то же положение при возникновении следующей вспышки. В таком режиме на сетчатке глаза будет отображена последовательность положений лопасти с отклонением назад в каждом последующем кадре. Поэтому будет казаться, что вентилятор медленно движется в обратном направлении.

Рис1: Если кажется, что вентилятор движется в обратную сторону, то частота стробоскопической вспышки выше скорости вращения лопастей:

Если стробоскоп синхронизирован на частоту вспышек, немного отстающую от скорости вращения вентилятора, то лопасть будет вставать в то же положение раньше возникновения следующей вспышки. В таком режиме на сетчатке глаза будет отображена последовательность положений лопасти с отклонением вперёд в каждом последующем кадре. Поэтому будет казаться, что вентилятор медленно движется вперёд.

Рис2: Если кажется, что вентилятор движется вперёд, то частота стробоскопической вспышки ниже скорости вращения лопастей:

 

Наблюдение за технологической линией без отпечатанного изображения

При наблюдении линейно движущейся линии, например, при обработке стали, можно наблюдать аналогичный с вентилятором алгоритм.

При наблюдении технологических линий важно поддерживать частоту вспышки выше значения 50-60 Гц. Так как при отсутствии повторяющегося шаблона глаза не могут зафиксироваться, необходимо преодолевать частоту мерцания. В таком случае устанавливается такая частота вспышки лампы, которой будет достаточно, чтобы зафиксировать «зернистую структуру» поверхности. Обычно частота составляет 65 до 85 вспышек в секунду, что значительно превышает обнаруживаемую частоту мерцания. Зерновой рисунок металлической поверхности на полосе может казаться неподвижным или «плавающим». Увеличивая или уменьшая частоту вспышки, вы можете передвигать зернистую структуру вперед или назад по полосе. После того, как вы зафиксировали зернистую структуру, любой дефект, выбивающийся из
обычной схемы прокатки, будет легко обнаружить. Такая зернистая структура является результатом процесса шлифовки валов конвейера при прокатке, которые передают свой рисунок прокатываемому материалу.

Возможно, вы столкнётесь с материалом без зернистой структуры. Например, такое можно наблюдать, когда поверхность валов конвейера гладкая, т. е. они изготовлены из нержавеющей стали высокого качества. В таком случае рекомендуется настроить частоту вспышек выше 70 Гц.

 

Инерция зрения

Существуют ошибочные представления о работе стробоскопов, которые необходимо прояснить.

Часто с работой стробоскопа ассоциируется мерцание. Благодаря феномену инерции зрения при высокой частоте вспышки мерцание не наблюдается. Лампа стробоскопа быстро включается и выключается каждую секунду, при этом каждая вспышка длится только 10 мкс за импульс. Из математического соотношения видно, что свет практически никогда не включён. Даже при частоте 60-100 Гц лампа находится в выключенном состоянии 99% времени. Тем не менее, глаз поглощает свет подобно тому, как губка впитывает влагу. Губка впитывает влагу быстро, но испаряет её очень медленно. Вспышка света активирует химические вещества глаза. Когда свет выключается (или в нашем случае в промежуток между вспышками) реакция на химические вещества угасает экспоненциально и занимает 350 мс до полного угасания.
При частоте вспышки выше 60 Гц химические вещества активируются заново быстрее, чем угасает свет, поэтому глаз не улавливает пауз между вспышками. Фотохимический процесс глаза, заключающийся в удерживания света, называется «инерцией зрения».

Каждый световой импульс освещает предмет только в течение одной стотысячной секунды или при частоте 60 Гц 6/10 000 секунды. Но при частоте выше 50-60 Гц благодаря инерции зрения промежутки темноты нивелируются и предмет кажется непрерывно освещённым.

Именно из-за инерции зрения вы не замечаете отдельных кадров кино- или телеизображения, частота которых не превышает 48-60 вспышек в секунду. Ниже представлен раскадровка обычного кинофрагмента. По этой же причине вы видите пятно после того, как вы делаете снимок с включённой вспышкой фотокамеры. Вспышка перегружает химическую реакцию сетчатки глаза, и пятно остается там на какое-то время.

 

Наблюдение за технологической линией печати

В определённых областях применения, таких как полиграфия, частота вспышки, скорее всего, будет ниже 50 Гц и световой импульс будет заметен. И в этом случае благодаря инерции глаза вы не будете испытывать дискомфорт, потому что передаваемое на сетчатку глаза изображение будет оставаться там до тех пор, пока следующая вспышка не обновит изображение.

Подобно лопастям вентилятора, синхронизированным со вспышкой, печатная серия также будет казаться неподвижной. Глазам станет дискомфортно, только когда частота будет ниже 20 Гц. Тем не менее, такая частота вспышки допускается и в определённых случаях понижается до 5 Гц.

 

Яркость против чёткости

Многие люди считают, что если на поверхность быстродвижущегося объекта падает большое количество света, то дефекты этого объекта будет легче рассмотреть.

Вернёмся к описанию работы глаза, когда на плёнке фотоаппарата появляется размытый снимок из-за продолжительности движения во время открытия затвора. Если вы не можете управлять выдержкой камеры (или глаза в данном случае), всё, что вы получаете от яркого света – это более яркий эффект смазывания. 

Поскольку у глаза нет затвора, мы создадим эффект затвора с помощью импульсной лампы стробоскопа. Лампа стробоскопа создаёт короткий световой импульс. Как упоминалось ранее, свет не горит 99% времени. Это отличается от действия ламп накаливания, люминесцентных, ртутных и галогенных ламп. Такие лампы образуют непрерывный свет, который постоянно активируют химическую реакцию глаза. Именно поэтому при таком непрерывном свете вы наблюдаете призрачные или размытые изображения быстродвижущихся предметов. При правильной установке прибора всего нескольких сотен люксов
стробоскопического света достаточно для рассмотрения мельчайших деталей. Короткий импульс света действует подобно затвору, передавая серию чётких, ясных изображений на сетчатку глаза наблюдателя. Квалифицированные инспекторы и операторы прокатного стана, которые имеют представление о дефектах поверхности, могут незамедлительно выявить изъяны при скорости до 2000 м/мин.

Неопытным операторам будет легче определять дефекты при стробоскопическом освещении, и они быстро научатся выявлять дефекты производства.

 

Влияние внешнего освещения на стробоскопическое

Стробоскопический эффект снижается, если стробоскопическое освещение смешивается с внешним освещением. Для достижения необходимого стробоскопического эффекта стробоскопическое освещение должно быть в 4 раза сильнее внешнего. Под внешним освещением понимается весь свет, который прямо или косвенно попадает на осматриваемую поверхность, т.е. свет от ламп накаливания, люминесцентных, кварцевых, натриевых/ртутных ламп, а также и естественный свет. В некоторых случаях необходимо принять меры по уменьшению интенсивности данных видов освещения. 

Рис: Ослабление стробоскопического эффекта при соотношении внешнего и стробоскопического освещения 1/1 вместо 1/4:

При усилении внешнего освещения стробоскопический эффект ослабевает. В таком случае следует либо установить стробоскоп ближе к поверхности, либо усилить стробоскопическое освещение, либо  оборудовать колпак для защиты наблюдаемой зоны от внешнего света.

 

Стробоскопическое освещение в промышленности

При использовании стробоскопа для наблюдения за движущимся объектом свет оказывает такое же влияние на глаза, как и вспышка фотокамеры на плёнку. Каждый импульс стробоскопа даёт чёткое, ясное изображение, поэтому можно рассматривать мельчайшие детали объекта или поверхности на высоких скоростях без возникновения эффекта смазывания. Именно по этой причине стробоскопическое освещение используется как инструмент для визуального осмотра невооружённым глазом многих непрерывных процессов, а также для усовершенствования анализа движения или видеографии.

Стробоскопическое освещение широко применяется в тех областях промышленности, где оператор должен наблюдать за процессом производства, но наблюдение затруднено из-за эффекта смазывания. Настройки стробоскопа и получаемый результат будут зависеть от области промышленности, процесса, продукта и внешнего освещения.

Существует два основных типа процессов, для наблюдения которых используется стробоскоп: вращательные и линейные:

  • При наблюдении за такими вращательными элементами, как двигатели, валы, зубчатые колёса, лопасти и т. п. наблюдаемый объект вращается в определённом пространстве и может быть зафиксирован для проверки на наличие дефектов, вибрации, рассогласованности, бокового зазора и т. д.
  • При наблюдении за линейными процессами, такими как производство стали, текстиля, пластмассы, печать и переработка происходит проверка на наличие двух типов дефектов – повторяющихся и случайных. Повторяющийся дефект воспроизводится через фиксированные интервалы. Это может быть отметка вальца на стали или царапина на печатной форме. Случайный дефект появляется на наблюдаемых поверхностях один раз или несколько раз через разные интервалы. Поскольку стробоскопический эффект обеспечивает передачу нескольких изображений на сетчатку глаза, одиночный дефект проявляется несколько раз, когда он проходит под стробоскопом, что облегчает его обнаружение оператором. Как упоминалось ранее, если глаз видит изображение несколько раз, оно запоминается. Таким образом, оператор сможет выявить и повторяющиеся, и случайные дефекты и принять соответствующие меры.

Важнейшей областью применения стробоскопов Unilux является осмотр поверхностей в сетях и полосах при производстве бумаги, печати, переработке, обработке металлов, также стробоскопы используются и во многих других отраслях.


Источник публикации – Unilux Europe GmbH