Разработка накладного интерферометра с адаптивной базой для исследования деформаций твердых тел

На современном этапе развития науки и техники при расчете прочности, ресурса и работоспособности любой конструкции основное внимание уделяется рассмотрению ее напряженно-деформированного состояния (НДС). Напряжения в исследуемых телах определяются в настоящее время косвенным способом на основе нахождения перемещений точек поверхности данных тел. По этой причине измерение перемещений точек поверхности деформируемых тел является основным звеном при анализе НДС конструкций. Для измерения перемещений существуют методы классической и голографической интерферометрии, спекл-интерферометрии, спекл-фотографии, фотоупругости, муара, проекции полос. Данные методы отображены в работах /1−13/.

Анализ существующих работ по применению оптических методов для нахождения перемещений при деформации тел показал, что при расшифровке интерферограмм возникали трудности в определении порядка интерференционной полосы и ее положение в пространствебыло затруднено нахождение аналитического выражения для функции распределения порядка интерференционных полос по пространству интерферограммыв полной мере не было разработано математическое обеспечение для нахождения перемещения по пространственному распределению фаз.

При рассмотрении метрологического обеспечения существующих оптических методов по измерению деформационных перемещений выявлено, что они обладают недостаточным порогом чувствительности, в них не в полной мере рассмотрены вопросы о диапазоне измеряемых величин, точности измерений. Сдерживающим фактором применения данных методов в промышленности явились нерешенные вопросы, связанные с выделением малых перемещений на фоне больших перемещений объекта как целого тела, влияния вибраций на элементы экспериментальных установок.

Дальнейшее совершенствование данных методов в направлении разрешения недостаточно исследованных вопросов в области расшифровки интерферограмм, метрологическом и техническом обеспечении привело к созданию новых методов. Наиболее важными из них являются: метод высокочувствительной голографической интерферометрииметод муаровых полосконтактная спекл-интерферометрия, высокочувствительный метод панорамной голографической интерферометрии, метод панорамной спекл-ин-терферометрии. Основы этих методов наиболее полно освещены в работах /14−58/. Кратко рассмотрим основы выше перечисленных методов и возникающие при этом проблемы в их применении для нахождения деформационных перемещений.

Методы голографической интерферометрии. Голографический способ регистрации и восстановления волновых фронтов позволил произвести сравнение этих волновых фронтов, отраженных предметом в разные моменты времени /2/. В основу метода положена регистрация на голограмме волновых фронтов, отраженных от деформированного объекта и последующего их восстановления. Результатом сравнения являются интерференционные полосы, в которых в неявном виде закодирована информация о пространственно-временных распределениях физических параметров исследуемого объекта. Анализ работ по данным методам показал:

— не исключено полностью влияние вибраций на стабильность элементов голографической схемы;

— при смещении голограммы относительно лазерного источника света возникает неучтенный фазовый набег;

— не исключен вклад в фазовый набег перемещений точек поверхности, нормальных к поверхности деформируемого объекта;

— существенно ограничен диапазон измеряемых перемещений точек поверхности и форм поверхностей исследуемых объектов;

— возникают технологические трудности на стадии изготовления элементов голографических схем и их эксплуатации;

— невозможность одновременно измерять перемещения точек поверхности деформируемого тела и определять геометрическую форму этого тела в реальном масштабе времени;

— в контактных методах не устранено влияние голограмм на прогиб тонкостенных конструкций типа пластин и оболочек;

— при решении вибрационных и динамических задач с помощью контактных методов невозможно не считаться с массой закрепляемых фотопластин.

Методы спекл-фотографии (СФ) и спекл-интерферометрии (СИ). Методы СФ и СИ основаны на регистрации интерференционного распределения интенсивности диффузно отраженного излучения /3,6/. В методе СФ на фотопластинке регистрируется две системы спеклов, смещенных относительно друг друга. Смещение точек поверхности определяется по полосам Юнга. Низкий контраст полос и высокая зернистость приводят к значительным погрешностям измерения координат центра полос.

Метод СИ основан на регистрации голограммой объективной структуры спеклов, присутствующих во всей области, в которой распространяется когерентный свет, отраженный от диффузной поверхности /4/. Применение СФ и СИ при исследовании деформированного состояния объектов ограничено влиянием вибраций, подкрепляющим эффектом голограмм, а в контактной спекл-интерферометрии — малым диапазоном измеряемых смещений и форм поверхностей измеряемых тел.

Муаровые методы исследования. Суть методов сводится к следующему /13,25,26/. Один из растров формируется на исследуемом объекте, а другой растр является контрольным. Возможная картина муаровых полос обусловлена рассогласованием частоты растров, нанесенных на тело, и частоты контрольного растра в процессе смещения деформируемой поверхности. Недостатком данных методов является в некоторых случаях недостаточная чувствительность, а в других случаях невозможность измерения нормальной компоненты перемещения.

Поляризационно-оптические методы. Основы данных методов изложены в работе /10/. Областью их применения является исследование прозрачных объектов, что выходит за рамки данной работы. Поэтому этот способ измерений перемещений здесь не рассматривается. Методы проекции полос используются для определения рельефа поверхности объектов и поэтому также не анализируются.

Анализ вышеприведенных методов показал, что на момент постановки диссертационной темы, в применении когерентно-оптических методов для измерения перемещений точек деформируемой поверхности объекта отмечались некоторые проблемы, к ним относятся:

— влияние вибраций на стабильность элементов голографи-ческой схемы;

— расширение диапазонов измерения перемещений точек поверхностей исследуемых деформируемых тел;

— ослабление требований к технологическому процессу регистрации изображения на голограмме и его восстановлению;

— уменьшение материальных затрат и трудоемкости при изготовлении элементной базы интерферометра вследствие существенного ее упрощения;

— устранение влияния голограмм на прогиб тонкостенных конструкций при нахождении малых деформационных перемещений на фоне больших смещений объекта как жесткого тела;

— решение вибрационных и динамических задач с достаточно высокой степенью точности;

— увеличение степени автоматизации процесса расшифровки интерферограмм и отображения результатов измерения деформационных параметров.

Решение данных проблем связано с созданием новых интерферометров, поиска оптимальных путей сбора, хранения и обработки информации, рациональной организации эксперимента. Поэтому дальнейшие работы в совершенствовании когерентно-оптических методов, позволяющие устранить их недостатки и расширить круг решаемых ими задач, являются актуальными в научной и прикладной сфере их применения.

Цель работы заключалась;

— в поиске методов увеличения диапазона измеряемых перемещений;

— в устранении влияния инерционных характеристик голограммы при исследовании малых деформационных перемещений на фоне больших смещений тела как целого;

— в исследовании процессов формирования и расшифровки интерферограмм, зарегистрированных по схеме Денисюка Ю. Н.;

— в разработке теоретических и практических основ построения нового малоинерционного адаптивного оптического преобразователя, способного в реальном масштабе времени измерять смещение точек деформируемой поверхности и определять ее геометрические формы;

— в создании и испытании экспериментального образца интерферометра для количественного исследования деформации тонких пластин и оболочек.

Для достижении поставленной цели решались следующие задачи:

— анализ физических основ когерентно-оптических методов измерения перемещений точек поверхности деформируемых тел для расширения теории формирования и расшифровки интерферо-грамм;

— создание голографического малоинерционного интерферометра реализующего данные методы;

— разработка способа регистрации и расшифровки интерфе-рограмм для измерения вектора перемещений точек деформируемой поверхности и ее геометрической формы для предложенного интерферометра;

— анализ метрологических характеристик интерферометра;

— постановка тестовых экспериментов, подтверждающих возможность практического применения данного оптического преобразователя.

Научная новизна результатов исследований, полученных в данной работе, состоит в том, что впервые:

— разработан контактный адаптивный способ формирования интерферограмм;

— изготовлен малоинерционный накладной голографический интерферометр с адаптивной базой;

— разработана физическая и математическая модель формирования интерференционного поля;

— получены алгоритмы расшифровки интерферограмм.

Достоверность результатов подтверждалась сравнением тестовых исследований с теоретическим решением соответствующих задач теории упругости, а также решением одних и тех же задач разными экспериментальными методами, в том числе и прошедшим стандартизацию по метрологическим характеристикам.

Практическая значимость и реализация результатов работы состоит в следующем:

— разработаны основы создания высокочувствительных адаптивных оптических преобразователей с голографическим способом регистрации информации, принципы построения и конструктивные решения которых устраняют проблемы, связанные с влиянием вибраций на стабильность элементов голографической установки и инерционных свойств голограмм при исследовании малых перемещений на фоне больших смещений тела как целого, что позволило определять, в широком диапазоне и с высокой точностью, перемещения точек исследуемой поверхности;

— исследованы физические процессы, определяющие формирование интерференционного поля и дана их математическая интерпретация;

— получены алгоритмы расшифровки интерферограмм, эффективность которых была доказана при исследовании деформаций цилиндрических оболочек, пластин и мембран;

— предлагаемый метод измерения дает возможность исследовать не только модели, но и реальные изделия, что отражено в отчете по научно-исследовательской работе (per. номер 01.08.80 024 876, инв. номер 02.89.25 165, НГПИ, 1988);

— результаты научных исследований внедрены в учебный процесс Новосибирского государственного педагогического университета и в практическую деятельность научно-исследовательской лаборатории прочности Сибирской государственной академии путей сообщения (акты о внедрении прилагаются).

Краткое содержание диссертации сводится к следующему. В первом разделе описан процесс формирования интерферограмм и рассмотрен вопрос их расшифровки.

Во втором разделе описана схема предлагаемого интерферометра. Основой такого интерферометра является тонкопленочная голограмма, на которой методом одной экспозиции, во встречных лучах, зарегистрированы два когерентных пучка, рассеянных и отраженных от передней и задней плоскопараллельных поверхностей оптически прозрачной среды. Указывается, что интерферометры обладают малой инерцией, вследствие чего могут применяться в контактном методе для исследования участков деформируемой поверхности, смещение точек которой и ее геометрическая форма могут варьироваться в достаточно широких пределах. Кроме того, отмечена возможность нахождения деформационных параметров в реальном масштабе времени. Рассмотрены вопросы расшифровки голографических интерферограмм, даны способы их регистрации. Получен алгоритм, по которому вычисляется перемещение точек исследуемой поверхности. Методика работы с интерферометром иллюстрирована примером нахождения геометрической формы поверхности эталонных цилиндров и поверхностей с большим радиусом кривизны.

— 9.

В третьем разделе даны метрологические характеристики предложенного интерферометра: чувствительность, диапазон измерений, точность.

В четвертом разделе диссертации приведены примеры решения практических задач.

Результаты работ были доложены автором на конференциях:

— «Фотомеханика 95й (Новосибирск, 1995);

— «Optical Holography and its Applications» (Kiev, Ukraine. 1997);

-" Проблемы железнодорожного транспорта и транспортного строительства Сибири" (Новосибирск, 1997);

— «Современные проблемы геодезии и оптики» (Новосибирск, 1998).

По теме диссертации опубликовано восемь работ, в том числе:

— пять статей в научных журналах и сборнике научных трудов;

— тезисы докладов;

— отчет по НИР.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, выводов, приложения. Общий объем диссертации 119 страниц, в том числе 53 рисунка, 9 таблиц и списка использованных источников, включающий 83 наименование.

выводы.

Анализ конкретных результатов применения разработанного НГИАБ для решения практических задач позволяет сделать следующие выводы:

— решение ряда технических задач показало эффективность применения контактного адаптивного голографического метода для исследования деформированного состояния изделий;

— разработанная методика эксперимента может использоваться в заводской или научно — исследовательской лаборатории, что подтверждается актами о ее внедрении.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе поставлена, обоснована и решена важная задача разработки основы и принципа реализации нового метода голографической интерферометрии для изучения деформационных перемещений участков поверхностей. Этот способ исследования свободен от принципиальных метрологических и технических ограничений, которые неустранимы в традиционных методах экспериментальной механики.

Полученные автором теоретические и экспериментальные результаты решения этой задачи являются базовыми в развитии нового научного направления — «Адаптивная интерферометрия» .

Основные результат диссертации состоят в следующем:

— разработан высокочувствительный интерференционный метод исследования деформированного состояния твердого тела. Метод представляет собой регистрацию на голограмме Ю.Н. Де-нисюка и восстановлении двух интерферирующих пучков света с управляемым фазовым сдвигом. На основе этого метода создан оптический преобразователь.

Данный преобразователь формируется в лабораторных условиях посредством однократной экспозиции на голограмме с гибкой основой двух квазидиффузных пучков, отраженных от передней и задней плоскопараллельных поверхностей фазовой пластинки, затем автономно используется в производственных условиях. Конструктивно он представляет собой голограмму на гибкой основе, которая закрепляется на исследуемой поверхности и освещается любым источником света.

Наиболее важным достоинством таких интерферометров является их малая инертность, отсутствие подкрепляющего эффекта при исследовании малых перемещений на фоне смещений и поворотов тела как целого. При этом исключается влияние вибраций на стабильность элементов голографической установки. Кроме того, данный интерферометр позволяет по одной интерфе-рограмме в масштабе реального времени определять не только перемещение точек исследуемой поверхности, но и ее геометрическую форму.

Число деталей, необходимых для реализации схемы интерферометра, сведено к минимуму. Обосновано радикальное умень.

— 108 шение технических требований к составляющим голографических схем и условиям регистрации интерферограмм. Это существенно повысило точность и диапазон измерения деформаций;

— разработана физическая и математическая модель формирования интерференционной картины. Получены аналитические выражения расшифровки интерферограмм, на базе которых созданы алгоритмы определения перемещения точек деформируемой поверхности и восстановления ее формы. Эксперименты показали достоверность получаемых результатов измерения перемещения точек исследуемой поверхности и определения ее геометрических форм;

— аналитически и экспериментально исследованы метрологические характеристики нового метода голографической интерферометрии. Даны рекомендации по выбору параметров оптического преобразователя, принципа измерения, способа наблюдения и обработки информации для достижения необходимой чувствительности, точности и диапазона измерения перемещений точек деформируемой поверхности. Показано, что разработанный метод позволяет существенно расширить диапазон измеряемых перемещений. При выполнении специальных условий регистрации интерферограмм погрешность определения компонент векторов перемещений Ах, Ду, Az и координат х, у, z не превышает соответственно 1,2- 0,05- 2,0- 0,8- 0,03- 1,3%, а чувствительность метода по координатам х, у, z составила 5 мкм, 7 мкм, 4 мкм на полосу. Диапазон измеряемых перемещений по абсолютной величине лежит в границах от 0,9 мкм до 200 мм.