Разработка и исследование спектрального метода и аппаратуры для оперативной идентификации пород древесины тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Воронин, Андрей Анатольевич

• Воронин, Андрей Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Воронин, Андрей Анатольевич

Введение.л.3<

Глава I. Анализ используемых и перспективных методов и средств для идентификации пород древесины.;. 12'

1.1 Идентификационные характеристики и требования к контролю древесины, существующие методы и устройства контроля:.

1.2! Предполагаемое решение задачи.!.Ш

1;3 Спектрофотометрические методы и приборы для идентификации породы древесины.;.

Выводы.:.:.

Глава П. Концепция построениям и определение требований к компонентам; прибора для ¡идентификации,породы древесины.

2 Л Методика идентификации.

2.2 Функциональная и оптическая схемы КИИ.

2.3 Выбор: источников и приёмников излучения.

2.4 Разработка электронной схемы и оценка ремонтопригодности прибора.

2.5 Выводы.

Глава III. Компоновка алгоритма и прикладных программ для идентификации пород древесины.

3 .1 Разработка функциональной схемы и обобщённого алгоритма с учётом спецификиработы прибора.

3.2 Реализация алгоритма идентификации пород в виде программного обеспечения. 3.3 Разработка и реализация интерфейсной части программного обеспечения

3.4: Обеспечение целостности и сохранности информации.

3.5 Выводы.

Глава.Ш. Разработка и исследование целевых характеристик опытных образцов КИП.:.

4.1 КонструкцияКИП,техническиехарактеристики.;.79:

4.2 Методика юстировки КИП.;.

4.3 Аттестация КИП.

4.4 Погрешности измерений и обеспечение достоверности результатов . идентификации.

4.5 Способы компенсации погрешностей.

4.6 Экспериментальные исследования метода и прибора для идентификации пород древесины.

4.7 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование спектрального метода и аппаратуры для оперативной идентификации пород древесины»

В' настоящее время' правительством Российской Федерации поставлен* ряд задач по идентификации'и контролю! естественных и искусственных объектов, таких какг порода древесины, степень созревания сельскохозяйственных культур, контроль качества мясопродуктов; качества топлива и других. Одним из вариантов решения данных» задач является применение спектрофотометрических методов и средств неразрушающего контроля. В связи с этим проводится ряд исследований, и разрабатываются алгоритмы идентификации и контроля таких объектов спектрофотометрическими методами. Сами же спектрофотометры, применяемые в данных разработках, должны быть портативными, обладать широким спектральным диапазоном для уверенной идентификации различных объектов, а также сохранять работоспособность и уверенность идентификации в широком диапазоне рабочих температур.

В связи с тем, что Россия за два прошедших десятилетия всё больше интегрируется в мировую торговлю, весьма актуальным является создание оперативных средств для идентификации и контроля естественных и искусственных объектов, перемещаемых через государственную границу. Одними из таких объектов являются, например, лесо- и пиломатериалы, продукты питания, нефтепродукты и др.

Одним из важнейших экспортируемых товаров является лесопродукция. Лес часто называют «зеленым1 золотом» России. При площади чуть менее 1700 миллионов гектаров на территории страны располагается одна пятая часть всех лесов мира и половина мировых хвойных лесов. Леса покрывают почти три четверти территории страны (Рис. 1).

В настоящее время Россия занимает первое место в мире по запасам леса (млрд. м3), а древесина является одной из значимых составных частей в структуре экспорта.

Высокая востребованность продукции лесопромышленного комплекса на мировом рынке на фоне слабости и противоречивости отечественной нормативно-правовой базы, регламентирующей экспорт лесоматериалов, отсутствие технических средств объективного и точного контроля их количественных и качественных характеристик сделали правонарушения в области экспорта лесоматериалов традиционным явлением на протяжении последних 20 лет. Эти правонарушения, главным образом заключаются в указании поставщиком лесопродукции породы древесины, облагаемой более низкими таможенными пошлинами, а также занижение объёма перевозимой древесины. Так, например, в зависимости от породы древесины изменяется и таможенная пошлина. На ценные породы древесины экспортные пошлины выше. Ель - более ценная порода, чем сосна, однако отличить их внешне даже опытному сотруднику таможни бывает трудно, в этих случаях подключаются эксперты-криминалисты. Но на каждом таможенном содержать эксперта в штате сотрудников не целесообразно, поэтому существует потребность в автоматизированном средстве определения породы древесины.

Рисунок 1. Запасы древесины в мире

Лесоматериалы - материалы из древесины, сохранившие её природную, физическую структуру и химический состав, получаемые из поваленных деревьев, хлыстов и (или); их частей путём поперечного и (или) продольного деления, классифицируемые кодами 4401100000, 4403 и 44071 ТН ВЭД России, являющиеся российскими и помещаемые под таможенный.режим экспорта.

С момента создания ГТК (ФТС - Федеральной таможенной службы) России; таможенные органы являются активным административным регулятором; в том числе наряду с другими федеральными органами исполнительной власти обеспечивают соблюдение законности на рынке внешней торговли. В настоящее время перед российской таможенной службой поставлена «триединая задача», состоящая из следующих компонентов:

• всемерное содействие развитию торговли; ускорение товарооборота и расширение внешнеторговых связей России;

• обеспечение эффективного таможенного контроля, направленного на уменьшение потенциальных угроз экономической и общественной безопасности государства;

• наполнение доходной части федерального. бюджета Российской Федерации.

Совершенствование системы таможенного контроля, реализация; положений Таможенного кодекса; требует от таможенной службы Российской Федерации перехода к новым принципам осуществления таможенного контроля, их максимального приближения к международной практике.

Однако для обеспечения успешного решения «триединой» задачи у таможенных органов практически? нет технических средств. И если для

1 Постановление Правительства РФ от 30 ноября 2001 г. №830 «ТН ВЭД Российской Федерации» влажности древесины существуют приборы, для объёма - методики2, то порода древесины определяется экспертом «на глаз» по составленным каталогам и фотографиям, примеры таких характеристик древесины приведены далее в п.1.1.

Одним из возможных вариантов решения задачи идентификации и контроля породы древесины может быть спектрофотометрический метод неразрушающего контроля. Зачастую методы традиционной спектроскопии оказываются бессильными и имеют крайне узкую область применения для идентификации объектов. Так, например, невозможно различать разные породы древесины путём поиска в них определённых концентраций элементов, присущих отдельным породам, однако на глаз очевидны различия цветовые и текстурные. Таким образом, необходим комплексный подход к идентификации естественных объектов.

Таким образом, целью настоящей работы является разработка и исследование объективного автоматизированного метода идентификации породы древесины, а также создание универсального прибора, реализующего метод идентификации.

Для достижения указанной цели должны быть решены следующие задачи:

• осуществить анализ существующих методов и средств для идентификации породы древесины;

• разработать спектральный метод объективной идентификации породы;

• создать математическую модель объективного метода идентификации и установить количественные показатели, по которым определяется порода древесины;

• разработать и создать пакет прикладных программ, реализующих математическую модель метода, а также обеспечивающих взаимодействие прибора с пользователем (интерфейсная часть);

2 Методики зарегистрированы в Федеральном реестре под следующими номерами: ФР. 1.27.2007.03580; ФР. 1.27.2007.03581; ФР.1.27.2007.03582 и ФР. 1.27.2007.03583

• разработать конструкцию и создать опытный образец! контрольно-измерительного прибора-для оперативного контроля породы древесины;

• произвести синтез:методов, компенсации погрешностей измерений^ для уменьшения массогабаритных характеристик приборами повышения-уверенности идентификации породы древесины;

• провести экспериментальные исследования опытных образцов прибора.

Структура диссертационной работы,

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка1 и приложений.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Воронин, Андрей Анатольевич

4.7 Выводы

В результате разработки и» исследования целевых, характеристик опытных; образцов удалось реализовать следующие этапы работы:

• доработана конструкция прибора, определены и. выдержаны при производстве опытных, образцов его технические характеристики;

• разработана1 методика юстировки прибора:, состоящая из грубой механической юстировки и более точной программной калибровки;

• спектрофотометр прибора*аттестован в качестве средства измерений;

• исследованы основные погрешности прибора и их влияние на идентификацию пород древесины;

• разработаны и реализованы способы компенсации (цифровой коррекции) погрешностей измерений СКДО спектрофотометром прибора.

Заключение

1 Произведено исследование существующих методов качественной оценки; ' (идентификации) естественных объектов на примере пород древесины. Выбраны оптимальные с точки зрения применимости и уверенности идентификации методы1 идентификации — методы анализа, спектральной информации.

2 Разработан и внедрён в опытных экземплярах приборов алгоритм идентификации породы древесины на основе анализа спектральной информации об исследуемых, образцах. Алгоритм представляет собой композицию двух различных методов идентификации.

3 Разработана и реализована в опытных экземплярах приборов алгоритмическая (цифровая) компенсация погрешностей, возникающих вследствие нелинейности свойств приёмников оптического излучения в зависимости от интенсивности падающего на них излучения, а также из-за температурной нестабильности показаний спектральной информации.

4 Предложена и реализована концепция построения портативного прибора для идентификации в виде моноблока - спектрофотометр и многофункциональный вычислительный комплекс с устройствами отображения информации в одном корпусе.

5 Собрана база данных по спектрам различных пород, произрастающих на территории Российской Федерации.

6 Обозначен ряд вопросов, связанных с применением разработанных алгоритмов идентификации и образцов приборов для идентификации других объектов (степень созревания сельскохозяйственных культур, качество мясопродуктов, идентификация жидкостей).

7 Опытные образцы приборов для идентификации послужили прототипами серийно выпускаемых в настоящее время приборов «Кедр» и «Кедр-М». Приборы приняты на снабжение Федеральной Таможенной Службы РФ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Воронин, Андрей Анатольевич, 2011 год

1. Белов Н. П., Яськов А. Д., Грисимов В. Н. Лабораторный спектрометр для исследования коэффициента отражения и определения параметров цветности диффузно отражающих объектов // Известия вузов. Приборостроение. Выпуск 7. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2010. с. 74-78.

2. Воронин A.A., Митрофанов С.С. Исследование нелинейности позиционно-чувствительного приёмника фирмы «Hamamatsu» // Известия вузов. Приборостроение. 2007. Т.50, №4. С. 47-50.

3. Воронин A.A., Смирнова Е.В., Смирнов А.П. К вопросу идентификации пород древесины с применением методов анализа спектров // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО, №2(66)/2010, с.5-11.

4. Воронин A.A., Смирнова Е.В., Фаизов И.Н. Алгоритмическая коррекция погрешностей портативного спектрофотометра // Известия вузов. Приборостроение. 2011. Т. 54, №1. С.74-78.

5. Дилбазов Т. Г., Ягубзаде Н. Я., Гусейнова Е. А. Оптическая система с высокой разрешающей способностью для малогабаритного спектрального прибора // Известия вузов. Приборостроение. Выпуск 10. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2010. с.80-84.

6. Дич JI.3., Латыев С.М. О погрешности Аббе в преобразователях линейных перемещений на дифракционных решетках // Оптико-электронные методы и средства в контрольно-измерительной технике. М.: МдНТП, 1991, с.24-30.

7. Дич Л.З., Латыев С.М., Рукавицин H.H. Алгоритмический способ коррекции температурной погрешности сферометра // «Оптико-механическая промышленность», №4,1989.

8. Дич Л.З., Латыев С.М., Рукавицын H.H. Повышение точности оптических приборов методом алгоритмической коррекции погрешностей // «Оптико-механическая промышленность», №12,1987.

9. Колгин Е.А., Ухов A.A., Воронин A.A., Кострюков A.A., Черноглазое BKS., Савушкин A.B. Спектрометрическое устройство для идентификации« пород древесины«// Петербургский журнал электроники. 2008. №2(55)-3(56). С. 1161201 '

10. Колгин Е;А., Ухов A.A., Савушкин A.B. Спектрометры на основе полихроматора и одномерной ПЗС матрицы: опыт разработки и применения // Петербургский журнал электроники. 2008. №2(55)-3(56): С. 120-127.

11. Латыев С.М. Компенсация погрешностей в оптических приборах. JI.: Машиностроение, 1985.

12. Латыев С.М. Конструирование точных (оптических) приборов СПб;: Политехника, 2007.

13. Латыев С.М., Дич Л.З., Кириков С.О. Применение фотоприемника «мультискан» в приборах для измерения, геометрических параметров // Оптический журнал, №8, 1995.

14. Латыев С.М., Митрофанов C.G. Алгоритмическая компенсация систематических погрешностей фотоэлектрических преобразователей круговых перемещений // «Оптико-механическая промышленность», №1, 1988.

15. Лежнев М.Ю. Идентификация лесопродукции // Лесное машиностроение №3. 1999.

16. Муслимов Э.Р: Теоретическое исследование' свойств вогнутой пропускающей голограммной дифракционной решетки // Научно-технический вестник, СПбГУ ИТМО. Вьшуск 01(71). СПб.: СПбГУ ИТМО, 2011. с. 1-6.

17. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. -Л.: Энергоатомиздат, 1985.19Павлычева H.K. Расчёт спектрографа с плоским полем на основе топографической решётки. ОМП, 1979, №7, стр. 15-16.

18. Иейсахсон И.В. Оптика спектральных приборов Л.: Машиностроение. 1975.

19. It Плотников B.C. и др. Расчет и конструирование оптико-механических-приборов. М.: Машиностроение, 1983.

20. Погарев Г.В. Юстировка оптических приборов. JL: Машиностроение, 1982.

21. Рудзит Я.А., Плуталов В.Н. Основы метрологии, точность и надежность в приборостроении. М.: Машиностроение, 1991.

22. Сокольский М.Н. Теоретические основы расчета допусков в оптических приборах. Л.: ЛИТМО, 1980.

23. Сухопаров С.А. Обобщенный метод точностного расчета конструкций оптических приборов // Известия вузов. Приборостроение, №6, 1985.

24. Yoshihisa A., Seiichiro Н. Идентификация материалов покрытий для бумаги на месте с использованием метода ИК-спектроскопии с Фурье-преобразованием и спектров отражения // Tokyo daigaku kogakubukiyo. А = J. Fac. Eng. Univ. Tokyo. A. №34.1996 . c. 88-89.