CC BY
5
УДК 681.787
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-8-75-80
ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕОМЕТРИИ ОСВЕЩЕНИЯ В ДВУХЛУЧЕВЫХ ИНТЕРФЕРОМЕТРАХ
Е.Е. Майоров, А.Г. Федоренко, А.В. Чабаненко, М.В. Хохлова, Р.Б. Гулиев, А.В. Дагаев
Данная работа посвящена исследованию геометрии освещения в двухлучевых интерферометрах. Исследование актуально и перспективно, так как двухлучевые интерферометры являются высокоинформативными и высокоточными приборами, а решение вопроса о точности измерений была всегда важной задачей для оптического приборостроения. В статье предоставлены механизмы формирования интерференционного сигнала при нормальном и наклонном падении светового излучения на исследуемую поверхность. Получены математические выражения для существования корреляции между полями рассеивания различных спектральных составляющих. Показано, что точность измерений зависит от формы результирующего интерференционного сигнала и растяжки его во времени.
Ключевые слова: поверхности сложной формы, двухлучевые интерферометры, поле рассеивания, геометрии освещения, корреляция, точность измерений.
Измерение поверхности сложной формы для метрологии всегда было важной задачей [1, 2]. Для решения этой задачи существуют множество методов и средств, такие как механические и оптические [3, 4]. Современная реализация в конструкциях механических приборов и систем позволяет измерять геометрические параметры поверхности сложной формы с точностью до долей микрометров [5, 6].
Существуют и недостатки в этих приборах и системах - это быстрый износ контактного элемента, измерение поверхности с малой устойчивостью к механическим контактам может привести к увеличению погрешности измерений [7, 8]. Устранение этих недостатков возможно посредствам оптических методов измерений поверхности [9, 10].
Анализ научной литературы показал, что актуальными на сегодняшний день являются двухлучевые интерференционные приборы, использующие источники белого света (низкоге-рентные) [11, 12]. Эти приборы анализируют отраженное от измеряемой поверхности световое излучение. Двухлучевые интерферометры дают высокоточные и достоверные данные эксперимента при исследовании поверхности любой формы [13, 14].
Данные приборы получили определенные успехи в практической и научной деятельности. Их теоретический анализ и функционирование представлены на достаточно высоком уровне. Практически решены вопросы построения и эксплуатационных характеристик. Расширены функциональные возможности и увеличено информационное содержание измерений, а также эти приборы широко внедрены в производственную практику [15, 16].
Поэтому целью работы явилось исследование геометрии освещения в двухлучевых интерферометрах.
Постановка задачи. Необходимо рассмотреть механизмы нормального и наклонного падений светового излучения на поверхность сложной формы. Выявить сохраняется ли корреляция между полями рассеивания создаваемыми различными спектральными составляющими излучения. Определить факторы, влияющие на формирование выходного сигнала, которые в свою очередь влияют на точность измерений прибора.
Механизмы формирования интерференционного сигнала при нормальном и наклонном падении светового излучения на поверхность. Механизм нормального падения светового излучения реализуется в том случае, когда биссектриса апертурного угла будет перпендикулярна исследуемой поверхности. Этот механизм приведен на рис. 1.
Оптико-электронная система формирует сфокусированный на исследуемой поверхности световой луч, который освещает линейный размер d. Фиксирует отраженный рассеянный свет фотоприемное устройство, которое находится от поверхности на расстоянии L. В плоскости регистрации формируется общее поле рассеивания, характеризуемое распределением интенсивности, которая определяется фазовыми соотношениями рассеянных поверхностью элементарных световых лучей.
Найдем условия существования связи между полями рассеивания, соответствующим различным спектральным компонентам излучения. Рассмотрим сложение световых волн в момент максимальной разности ветвей интерферометра. На рис. 1 - это две световых волны, исходящие из точек А и С и приходящие в точку М. Угловая апертура фотоприемного устройства, определяет положение точки М.
Рис. 1. Нормальное падение светового излучения на исследуемую поверхность: АС - исследуемая поверхность, Z - направление падающего светового луча (совпадает с осью 2), Z = 0 - плоскость регистрации, а - угловая апертура, й - размер светового поля на поверхности, Ь - расстояние между исследуемой поверхностью и регистрирующей
средой
Разность положения ветвей А = АМ - СМ представляется как
Причем й/Ь << 1, то выражение для А будет выглядеть следующим образом
а
Д = (1)
В настоящее время практически все двухлучевые интерферометры контроля шероховатой поверхности используют источники излучения, такие как суперлюминесцентные диоды или диоды белого света, которые имеют низкую когерентность и соответственно конечную ширину спектрального интервала. А это означает, что длина волны светового излучения X из этого интервала есть разность фаз с учетом (1), и тогда
2л , а
~ у.
Если перейдем к составляющей с длиной волны X', то изменение разности фаз будет выглядеть следующим образом
2л , а 2л , а 2лйДЛ а
5(Р = ~** 2 -Ц>^ 2 =— *Т
где АХ = X' - X << X.
Тогда два поля рассеивания, создаваемые разными длинами волн, будут совпадать, если
2лйДЛ а л -2— tg— < —.
I2 2 4
Зная, что длина когерентности 1с = X2 / АX, то
а
1С > -. (2)
На сегодняшний день, представляет для научных исследований следующие параметры: 1с = 2...30 мкм, й = 10...40 мкм, а = 0,1 и тогда условие (2) выполняется. А это означает, что между полями рассеивания создаваемыми различными спектральными составляющими излучения, при нормальном падении светового луча на исследуемую поверхность корреляция сохраняется.
Механизм наклонного падения светового излучения реализуется в том случае, когда биссектриса апертурного угла будет отлична от 0° (не перпендикулярна) исследуемой поверхности. Этот механизм приведен на рис. 2.
V-- (1 2 Ь ■<- <1 1 2 ✓ 1) ь >х
-»- а/2 с -ъ -м
В Б
Рис. 2. Наклонное падение светового излучения на исследуемую поверхность: АС - исследуемая поверхность, Z - направление падающего светового луча (совпадает с осью 2), Z = 0 - плоскость регистрации, И - глубина анализа высоты вариации рельефа, ® - угол падения, а - угловая апертура, й - размер светового поля на поверхности, Ь - расстояние между исследуемой поверхностью и регистрирующей средой
рельефа
При наклонном падении в формуле (1) появиться глубина анализа высоты вариации
Д = , I Ь +
. ё а +1 2+^ ~2
-Л ь -
, т а ё +1 1 - 2
Преобразуя данное выражение получим
а
Д = dtgв + dtg —
Тогда условие существования корреляции между полями рассеивания различных спектральных составляющих будет выглядеть следующим образом
а
гс > 8ё | tgв+tg -1.
(3)
2
2
2
2
2
Рис. 3. Исследование геометрии освещения выходного интерференционного сигнала
при различных ® 77
Итак, если условие (3) невыполнимо, то исследуемые области поверхности будут источниками некогерентных полей рассеивания. При смещении опорного зеркала условие равенства оптических ветвей интерферометра может выполняться несколько раз, амплитуды сигналов будут отличаться на порядок. Поэтому при сложении этих сигналов форма результирующего сигнала будет деформирована, а сам сигнал растянут во времени. Это в свою очередь приведет к увеличению погрешности измерений.
В работе получены экспериментальные результаты измерений формы сигналов при © = 0°, © = 45°, © = 60°, © = 75° (рис. 3).
Заключение. В настоящей работе теоретическое и экспериментальное исследование двухлучевого интерферометра и показано, что точность измерений зависит от геометрии освещения исследуемой поверхности. Приведены аналитические выражения для нормального и наклонного падения светового излучения на контролируемую поверхность сложной формы. Наглядно показаны условия при которых сохраняется корреляция между световыми полями рассеивания и когда корреляция отсутствует.
Данная работа представляет интерес для оптического приборостроения, а также для метрологического обеспечения.
Список литературы
1. Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Наука. 1976. 926 с.
2. Малакара Д. Оптический производственный контроль: пер. с англ. под ред. Сосно-ва А.Н. М.: Машиностроение. 1985. 340 с.
3. Афанасьев В.А. Оптические измерения. М.: Недра. 1968. 263 с.
4. Захарьевский А.Н. Интерферометры. М.: Оборонгиз. 1952. 296 с.
5. Черняк Т.А., Бородянский Ю.М., Майоров Е.Е., Попова Е.В., Петрова Е.А., Хохло-ва М.В. Математическое моделирование интерференционного сигнала и получение диапазона измерений величины смещения // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 6. С. 199-204. DOI: 10.24412/2071-6168-2021-6-199-204.
6. Майоров Е.Е., Машек А.Ч., Удахина С.В., Цыганкова Г.А., Хайдаров Г.Г., Черняк Т.А. Разработка компьютерной интерференционной системы контроля негладких поверхностей // Приборы. 2015. №11 (185). С. 26-31.
7. Майоров Е.Е., Машек А.Ч., Удахина С.В., Цыганкова Г.А., Хайдаров Г.Г., Черняк Т.А. Алгоритмы обработки информационного сигнала компьютерной интерференционной системы контроля негладких поверхностей // Научное приборостроение. 2015. Том 25. № 4. С. 6166.
8. Прокопенко В.Т., Майоров Е.Е., Машек А.Ч., Удахина С.В., Цыганкова Г.А., Хайдаров А.Г., Черняк Т.А. Оптико-электронный прибор для контроля геометрических параметров диффузно отражающих объектов // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2016. Т. 59. № 5. С. 388-394.
9. Майоров Е.Е., Прокопенко В.Т., Машек А.Ч., Цыганкова Г.А., Курлов А.В., Хохло-ва М.В., Кирик Д.И., Капралов Д.Д. Экспериментальное исследование метрологических характеристик автоматизированной интерферометрической системы измерения формы поверхности диффузно отражающих объектов // Измерительная техника. №10. 2017. С. 33-37.
10. Майоров Е.Е., Колесниченко С.В., Константинова А.А., Машек А.Ч., Писарева Е.А., Цыганкова Г.А. Исследование флуктуаций фазы выходного сигнала системы фазовых измерений // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2021. № 9. С. 1-6. DOI: 10.25791/рпЬог.9.2021.1287.
11. Майоров Е.Е., Хохлова М.В., Громов О.В., Удахина С.В., Арефьев А.В., Таюрская И.С. Теоретическое исследование разработанной автоматизированной измерительной системы // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 12. С. 288-294. DOI: 10.24412/2071-6168-2021-12-288-294.
12. Арефьев А.В., Коцкович В.Б., Майоров Е.Е., Пушкина В.П., Сорокин А.А., Уда-хина С.В. Исследование разработанного интерференционного зонда для измерения неровностей реальных поверхностей // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2022. № 2. С. 1-6. DOI: 10.25791/рпЬог.2.2022.1319.
13. Арефьев А.В., Курлов В.В., Коцкович В.Б., Майоров Е.Е., Пушкина В.П., Удахина С.В. Исследование постинъекционного эпидермиса модифицированным интерферометром майкельсона—физо // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2022. Т. 65. №4. С. 295-302. DOI: 10.17586/0021-3454-2022-65-4-295-302.
78
14. Майоров Е.Е., Коцкович В.Б., Пушкина В.П., Арефьев А.В., Гулиев Р.Б., Дагаев А.В. Исследование оптических плоских поверхностей светоделительных пластин средством когерентной оптики // Научное приборостроение. 2022. Т.32. №2. С. 65-74.
15. Бородянский Ю.М., Майоров Е.Е., Петрова Е.А., Попова Е.В., Курлов В.В., Уда-хина С.В. Измерение геометрических параметров поверхностей сложной формы низкокогерентной оптической системой // Приборы. 2022. № 5 (263). С. 3-7.
16. Майоров Е.Е. Исследование разработанной измерительной системы на основе двухлучевой интерферометрии // Моделирование и ситуационное управление качеством сложных систем: Третья Всероссийская научная конференция (СПб., 18-22 апреля 2022 г.): сб. докл. СПб.: ГУАП, 2022. C. 52-55. DOI: 10.31799/978-5-8088-1707-4-2022-3.
Майоров Евгений Евгеньевич, канд. тех. наук, доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Федоренко Андрей Григорьевич, канд. тех. наук, доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Чабаненко Александр Валерьевич, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Хохлова Марина Владимировна, канд. пед. наук, доцент, mvxox@,mail. ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Гулиев Рамиз Балахан оглы, канд. тех. наук, доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Университет при Межпарламентской Ассамблее ЕврАзЭС,
Дагаев Александр Владимирович, канд. тех. наук, доцент, [email protected], Россия, Ивангород, Ивангородский гуманитарно - технический институт (филиал) «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения»
INVESTIGATION OF THE GEOMETRY OF ILLUMINATION IN TWO-BEAM INTERFEROMETERS
E.E. Maiorov, A.G. Fedorenko, M.V. Khokhlova, A.V. Chabanenko, R.B. Guliyev, A.V. Dagaev
This work is devoted to the study of the geometry of illumination in two-beam interferometers. The study is relevant and promising, since two-beam interferometers are highly informative and high-precision instruments, and solving the issue of measurement accuracy has always been an important task for optical instrumentation. The article presents the mechanisms for the formation of an interference signal with a normal and oblique incidence of light radiation on the surface under study. Mathematical expressions are obtained for the existence of a correlation between the scattering fields of various spectral components. It is shown that the measurement accuracy depends on the shape of the resulting interference signal and its stretching in time.
Key words: surfaces of complex shape, two-beam interferometers, scattering field, lighting geometries, correlation, measurement accuracy.
Maiorov Evgeny Evgenievich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation,
Fedorenko Andrey Grigorievich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation,
Khokhlova Marina Vladimirovna, candidate of pedagogical sciences, docent, mvxox@mail. ru, Russia, Saint-Petersburg, Military space Academy named after A. F. Mozhaisky,
79
Chabanenko Alexander Valerievich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation,
Guliyev Ramiz Balahan oglu, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, University at the EurAsEC inter-parliamentary Assembly,
Dagaev Alexsander Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Ivangorod, Ivangorodskii Humanitarian-Technical Institute (branch of) «Saint-Petersburg University of Aerospace Instrumentation»
УДК 543.42
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-8-80-85
ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АВИАЦИОННЫХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ МЕТОДОМ ОПТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
Г.А. Костин, Т.А. Черняк, Е.Е. Майоров, В.В. Курлов, И.С. Таюрская
В работе представлено исследование оптических свойств авиационных гидравлических жидкостей методом оптической спектроскопии. Работа перспективна и актуальна, так как дополнение оптическими параметрами авиационных гидравлических жидкостей помимо физико-химических свойств важно для авиационного приборостроения. Определены объекты и метод исследований. Представлен внешний вид и оптическая схема спектрометра, работающего в диапазоне длин волн от 185 нм до 3300 нм., а также даны технические характеристики прибора. В работе получены спектры оптического пропускания гидравлических жидкостей НГЖ-5у российского производства и импортного Exxon hyjet iv-a+, Skydrol 500B-4, измеренные спектрофотометром в диапазоне длин волн Х=200...1100 нм.
Ключевые слова: авиационные гидравлические жидкости, летательный аппарат, гражданская авиация, спектрометр, спектр, коэффициент пропускания.
В современных условиях гражданская авиация России постепенно обновляет свой парк летательных аппаратов [1]. Новые образцы воздушных судов имеют существенные отличия от своих предшественников (современные летно-технические характеристики) [2]. Измененные двигателя, корпуса и другие жизненно важные системы, одна из таких систем - авиационная гидравлическая система [3].
Для летательного аппарата важным вопросом является выбор необходимой гидравлической жидкости (ГЖ) для гидравлической системы (ГС) конкретного самолета на основании технических требований к нему [4]. ГЖ служит для передачи энергии от её источника к местам потребления с минимальными потерями энергии, компенсируя развиваемое усилие или момент [5]. В аэропортах технические службы используют различные ГЖ, которые основаны на фос-форно органических эфирах для снижения пожарной безопасности, взрывобезопасности, большей стабильности физико-химическим характеристикам при эксплуатации и хранения, а также более длительному ресурсу [6].
Спектральные методы широко применяются для исследования веществ различного агрегатного состояния [7, 8]. Эти методы связаны с процессами поглощения или испускания электромагнитного излучения в результате переходов между квантовыми энергетическими уровнями [9, 10]. Методы оптической спектроскопии доступны в приборном обеспечении, очень просты для получения необходимой информации, легки в интерпретации данных [11, 12].
Анализ литературных данных показал, что в доступной научно-технической литературе какие-либо данные по оптическим свойствам ГЖ практически отсутствуют, а если приведены, то представляют оценочный характер [13-16].
80
