CC BY
12УДК 681.787.7
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМЫ PULSESPI ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ПРЕЦИЗИОННОМУ КОНТРОЛЮ ТЕРМОДЕФОРМАЦИЙ
П. С. Завьялов1, М. С. Кравченко1*, В. В. Уржумов1, В. А. Куклин2, В. М. Михалкин2
1Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН Российская Федерация, 630058, г. Новосибирск, ул. Русская, 41 2АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52
*E-mail: [email protected]
Для определения термодеформаций антенн применяется система на основе метода электронной спекл-интерферометрии (ESPI), обладающего чувствительностью порядка 0,05 мкм. Испытания системы проводятся на тестовом объекте размером 1,5 м.
Ключевые слова: электронная спекл-интерферометрия, метод пространственного фазового сдвига, система измерения термодеформаций поверхностей PulsESPI System.
METROLOGICAL CHARACTERISTICS INVESTIGATION OF THE PULSESPI SYSTEM FOR THERMODEFORMATIONS PRECISION CONTROL
P. S. Zavyalov1, M. S. Kravchenko1*, V. V. Urzhumov1, V. A. Kuklin2, V. M. Mihalkin2
technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering SB RAS 41, Russkaya Str., Novosibirsk, 630058, Russian Federation 2JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation *E-mail: [email protected]
Based on the method of electronic speckle interferometry (ESPI) system used to determine the thermal deformations of the antenna. The method has a sensitivity 0.05 fim. Experiments with the system are carried out on a test object measuring 1,5 m.
Keywords: electronic speckle interferometry, method of spatial phase shift, measurement system for thermal deformations of surfaces PulsESPI System.
Для определения температурного влияния на геометрические параметры элементов космических аппаратов в условиях имитации факторов воздействия космического пространства необходим высокоточный и надёжный контроль термодеформаций объектов размером около 1,5 м. Требуемые метрологические характеристики контроля обеспечиваются методом спекл-интерферометрии [1]. Так, предъявляемым требованиям для выполнения контроля термодеформаций элементов космических аппаратов соответствует метод электронной спекл-интерферометрии (electronic speckle interferometry - ESPI). ESPI [2; 3] имеет широкое применение при неразрушающем контроле деформаций, смещений, вибраций разного рода исследуемых сред, а также, в отличие от стандартных способов интерферометрии, этот метод даёт возможность контролировать объекты с оптически грубой поверхностью (случайно-неоднородной), которой обладает большинство элементов аппаратов в авиакосмической промышленности.
В оптической схеме ESPI когерентное излучение лазера 1 направляется зеркалом 3 и рассеивается объективом 4 на поверхности объекта 7 (рис. 1). Про-
странственное разделение опорного и объектного плеча происходит на светоделителе 2. Далее осуществляется сложение опорной волны, рассеянной объективом 5 и направленной светоделителем 8, с рассеянной объектом волной, формирующейся объективом 6. От относительного фазового сдвига этих волн в результате деформаций на объекте 7 зависит распределение интенсивности итоговой спекл-картины. Камерой 9 регистрируются начальное и деформированное состояния объекта. Компьютером 10, в результате выполнения ряда арифметических действий, образуется картина интерференционных полос (рис. 2), которая расшифровывается и преобразуется в поле перемещений контролируемой поверхности.
В рамках выполнения СЧ ОКР на создание рабочего места измерения термодеформаций поверхностей, приобретена система измерения термодеформаций поверхностей PulsESPI System (далее - PulsESPI System), производства компании Carl Zeiss Optotechnik GmbH, Германия.
Известно, что, ранее, ESPI-система использовалась для измерения деформаций рефлектора в термовакуумной камере в DLR в Берлине [4].
Решетневскуе чтения. 2018
Рис. 1. Принципиальная схема спекл-интерферометра (обозначение см. в тексте)
Рис. 2. Интерференционные полосы
Измерения базируются на методе пространственного фазового сдвига [5], чувствительность которого 50 нм. Данный метод показывает хорошие результаты в количественном анализе корреляционных полос высокого контраста, полученных с использованием импульсного лазера [6]. Основными компонентами PulsESPI System являются системы: рубиновый импульсный лазер (длина волны 694 нм, энергия импульса 1 Дж, длительность импульса 20 нс, длина когерентности 1 м), синхронизации, регистрации изображений (разрешение 1280*1024 пикс, размер пикселя 6,7*6,7 мкм), анализа данных (FRAMESplus).
Для проведения испытаний PulsESPI System разработан стенд, схема которого представленна на рис. 3.
Рис. 3. Схема стенда для испытаний PulsESPI System
В качестве объекта испытаний используется алюминиевый лист 2 с размерами 1,5*1,5 м. С одной стороны объекта размещалась PulsESPI System 1, а сдру-гой стороны объекта помещается отражатель 3 и интерферометр перемещений Renishaw XL-80 4. Объект жестко закрепляется к неподвижным колоннам 5, тем самым обеспечивается необходимая жесткость закрепления. Измеряемая Renishaw область, с помощью актюатора 6 деформируется. В качестве результатов измерений сравниваются показания перемещения в точке, которые регистрирует Renishaw, и соответствующая ей точка с карты деформаций, получаемой с PulsESPI System.
Интерферометр Renishaw и колонны объекта закреплены на массивном основании 7, что обеспечивает их неподвижность друг относительно друга во время испытаний. Для обеспечения точности измерений были устранены внешние источники вибраций, устранены колебания точки измерения, изолированы оптические пути, обеспечена синхронность регистрации показаний XL-80 Renishaw и PulsESPI System на уровне не более 0.01 с.
Проведено три вида испытаний:
1. Объект неподвижен, воздействий на объект не оказывается. В результате определялась погрешность измерений между соседними кадрами (измерениями).
2. Деформация между двумя соседними кадрами постоянно увеличивается. Начинается с величины 0,5 мкм между кадрами и заканчивается величиной 8 мкм. Данное испытание проводилось для определения диапазона измерения между двумя соседними кадрами.
3. Деформация между кадрами постоянная (около 4 мкм). При этом регистрируется несколько десятков кадров. Определяется суммарная деформация, при которой погрешность измерений не превышает ±1 мкм. Определялся суммарный диапазон измерений деформаций.
В результате, погрешность измерения между двумя последовательными измерениями (кадрами) составила не более ± 0,1 мкм. Максимальная деформация между двумя последовательными измерениями (кадрами) - не более 5 мкм. При большем шаге, возникают проблемы с обработкой изображений, возникает пропуск полос. Максимальная суммарная деформация за весь период испытаний составила не более 200 мкм. При больших диапазонах погрешность становится более ±1 мкм.
Библиографические ссылки
1. Рябухо В. П. Спекл-интерферометрия // Соро-совский образовательный журнал. 2001. Т. 7, № 5. С. 102-109.
2. Ульянов С. С. Что такое спеклы // Соросовский образовательный журнал. 1999. № 5. С. 112-116.
3. Каленков Г., Штанько А. Цифровая корреляционная спекл-интерферометрия // Фотоника. 2010. № 4. С. 58-60.
4. Measurement of the Thermal Deformation of a Highly Stable Antenna with Pulse ESPI / Nosekabel E. H., Ernst T. et al. // 18th International Congress on Photonics, Munich, Germany, 2007. Vol. 6616. P. 18-21.
5. Pedrini G., Tiziani H. J. Double-pulse electronic speckle interferometry for vibration analysis. // Applied optics, 1994. Vol. 33, No. 34. P. 7857-7863.
6. Pulsed laser in E.S.P.I. / Cookson T.J., Butters J. N. et al. // Optics and Laser Technology, 1978. Vol. 10. P. 119-124.
References
1. Ryabukho V. P. Speckle-interferometry // Sorosovsky Educational Journal. 2001. T. 7. № 5. P. 102-109.
2. Ulyanov S. S. What is speckle // Sorosovsky Educational Journal. 1999. № 5. P. 112-116.
3. G. Kalenkov A. Shtan'ko. Digital correlation speckle-interferometry // Photonics. 2010. № 4. P. 58-60.
4. Measurement of the Thermal Deformation of a Highly Stable Antenna with Pulse ESPI / Nosekabel E. H., Ernst T. et al. // 18th International Congress on Photonics, Munich, Germany, 2007. Vol. 6616. P. 18-21.
5. Pedrini G., Tiziani H. J. Double-pulse electronic speckle interferometry for vibration analysis. // Applied optics, 1994. Vol. 33, No. 34. P. 7857-7863.
6. Pulsed laser in E.S.P.I. / T. J. Cookson, J. N. Butters et al. // Optics and Laser Technology, 1978. Vol. 10. P. 119-124.
© Завьялов П. С., Кравченко М. С., Уржумов В. В., Куклин В. А., Михалкин В. М., 2018
