CC BY
53
НАДЁЖНОСТЬ, ДИНАМИКА И ДИАГНОСТИКА МАШИН
УДК 621.378.3:681.786
ЛАЗЕРНО-КОМПЬЮТЕРНАЯ СИСТЕМА ПОЛУЧЕНИЯ И АНАЛИЗА СПЕКЛ-ИНТЕРФЕРОГРАММ ВИБРИРУЮЩИХ ОБЪЕКТОВ
©1999 Д.С. Еленевский, Ю.Н. Шапошников
Самарский научно-инженерный центр автоматизированных прочностных испытаний и диагностики машин
Описана конструкция электронного корреляционного спекл-интерферометра, в котором высококонтрастная интерференционная картина вибрирующего на резонансной частоте объекта образуется непосредственно в памяти компьютера.
В процессе доводки высоконагружен-ных энергетических машин по прочности и надежности особое место занимает определение собственных частот и форм колебаний элементов конструкций. Исследования полей вибросмещений, деформаций и напряжений, развития усталости тесно связаны со знанием форм колебаний, поскольку они проводятся при колебаниях на резонансных частотах [1].
Одним из основных экспериментальных методов определения собственных частот и форм колебаний натурных объектов является голографическая интерферометрия [2]. Однако, голографический процесс требует высокоразрешающих регистрирующих материалов, таких как фотоэмульсии или фототермопластики, достаточно продолжителен во времени (фотообработка эмульсии) и трудоемок в настройке. Методы электронной спекл-ин-терферометрии (Е8Р1), развитые в последнее время, позволяют наблюдать интерференционную картину колеблющегося объекта непосредственно на экране телемонитора, минуя какой-либо промежуточный носитель [3]. Но качество (отношение сигнал/шум, контраст) электронных спекл-интерферограмм значительно уступает картинам, регистрируемым голографическими методами. Извлечь количественную информацию о распределении амплитуд колебаний из таких спекл-ин-терферограммы весьма сложно.
С цель использования преимуществ электронной спекл-интерферометрии и достижения качества интерференционных кар-
тин не уступающего голографическому, разработана лазерно-компьютерная система исследования вибрирующих на резонансных частотах объектов. Основу системы составляет электронный корреляционный спекл-интерферометр, интерференционная картина в котором образуется непосредственно в памяти компьютера, связанного с телевизионной камерой, установленной в выходном плече интерферометра.
На рис.1 показана оптическая схема электронного корреляционного спекл-интер-ферометра с компьютерной регистрацией интерферограмм, предназначенного для исследования собственных частот и форм колебаний деталей и узлов изделий.
Излучение гелий-неонового лазера непрерывного действия делится на два пучка: опорный и объектный. Объектный пучок расширяется и освещает исследуемый объект. Рассеянное объектом излучение телевизионной камерой высокого разрешения вводится в персональный компьютер. На экране видеомонитора наблюдается сфокусированное изображение исследуемого объекта. Объектив телевизионной камеры диафрагмируется до величины, позволяющей на экране четко различать отдельные спеклы. Диафрагмирование до величины F = 18...22 относительного отверстия объектива позволяет получить во входной плоскости видикона приемлемые размеры спеклов (~15 мкм), которые разрешались телевизионной камерой «BOSCH T YK 9A». Система ввода обеспечивает линейный ввод 512х512 точек изображения с раз-
Рис. 1. Оптическая схема электронного корреляционного спекл-интерферометра:
1 - лазер; 2 - светоделитель; 3, 9, 10 - линза; 4 - телекамера; 5 - диафрагма объектива
биением по яркости на 256 градаций.
Опорный пучок с помощью зеркала и оптического клина, установленного перед объективом телекамеры, также направляется на видикон телекамеры. Система из двух линз установлена в опорном пучке таким образом, чтобы он фокусировался на оси объектива телекамеры в плоскости диафрагмы и полностью освещал рабочую поверхность видико-на. Зеркало в опорном плече интерферометра размещено на пьезокерамической пластине. С помощью пьезокерамической пластины, изменяя напряжение питания, которое на нее подается, можно управлять фазой опорного пучка на экране видикона в пределах 360°. Таким образом на экране монитора наблюдается спекл-изображение исследуемого объекта, сложенное с однородным фоном, образованным опорным пучком. Изменяя фазу опорного пучка, можно управлять фазой спеклов на изображении.
Если объект вибрирует на резонансной частоте, то результирующая, усредненная по времени ввода кадра (~40 мкс), яркость наблюдаемого на экране изображения описывается, как это можно получить из [3] выражением
В(х,у) = К{<1.(х,у)> + <Г(х,у)> +
+ 2(<Іг.(х,у)> <Г(х,у)>)1/2 І02 [4яЛ(х,у)/1] х х со8[Єг(х,у)-Єк(х,у)]}, (1)
где К- постоянный коэффициент, зависящий от параметров телекамеры и системы ввода изображения в компьютер, <1г> и <1к> - усредненные интенсивности опорного и предметного пучков в точке изображения объекта с экранными координатами (х,у), 10 -функция Бесселя первого рода нулевого порядка, А - амплитуда колебания точки объекта, 1 - длина волны излучения лазера, 0г, 0к -фазы опорного пучка и спекла в плоскости видикона соответственно.
Интенсивность спеклов в наблюдаемом изображении изменяется с изменением функции 10. в зависимости от амплитуды колебания. Но контраст их настолько низок, что заметны спеклы будут только в областях изображения близких к узловым линиям, где функция 10. близка к единице. Если с небольшой частотой (3...6 Гц) изменять фазу спеклов, управляя фазой опорного пучка с помощью перемещения зеркала, закрепленного на пьезокерамике, можно наблюдать мерцание спеклов в области узловых линий. Это дает достаточно простой метод настройки вибрирующего объекта на резонанс и оценки уровня его возбуждения. При сканировании частоты возбуждения спеклы, видимые по всей поверхности объекта, в момент достижения резонанса размываются, оставаясь заметными только в области узлов.
Рис. 2. Интерферограмма вибрирующей на резонансной частоте лопатки турбины.
Для получения высококонтрастной интерференционной картины изображение (1) заносится в память компьютера. Фаза опорного пучка сдвигается на 180°. На экране монитора при этом наблюдается интерференционная картина аналогичная первой, но на месте «светлых» спеклов размещаются «темные» и наоборот. Далее второе изображение по модулю вычитается из первого, хранящегося в памяти. В результате на экране монитора наблюдается изображение контрастной интерференционной картины:
B(x,y) = K{4(<I.(x,y)> <Is.(x,y)>)1/2 J2
x
х [4рА(х,у)/1]| со8[0г(х,у)-0(х,у)]|} (2) Интерференционные полосы, описываемые выражением (2), аналогичны восстанавливаемым из голографических интерфе-
рограмм, записанных методом усреднения во времени, за исключением того, что они образованы спеклами.
На рис.2 приведена одна из интерферог-рамм вибрирующей на резонанасной частоте лопатки турбины, полученная на электронном корреляционном спекл-интерферометре. На интерферограмме видны четкие интерференционные полосы, которые различаются даже в пучностях формы колебаний.
Используя стандартную процедуру обработки интерферограмм [4] можно из интерференционной картины, подобной приведенной на рис.2, извлечь данные об амплитуде колебания каждой из точек изображения. При этом весь процесс получения информации существенно упрощается, так как интерфе-рограмма образуется и хранится непосредственно в памяти компьютера и не требуется осуществлять дополнительно восстановление и ввод изображения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Еленевский Д.С. Поузловая отработка вибропрочности лопаток турбины ГТД//Виб-рационная прочность и надежность двигателей и систем летательных аппаратов.-КуАИ, 1981.Вып.8.С.292.Вест Ч. Голографическая интерферометрия.-М.:Мир, 1982.
3. Джоунс Р., Уайкс К. Голографическая и спекл-интерферометрия.-М.:Мир, 1986. Elenevsky D.S., Krainyukov N.I., Shaposnikov Yu.N., Khramov A.G. Holographic-Interferometry Methods Employed for Vibration Strength Testing ofAviation Engine Workpieces//Opt. and Lasers in Eng. 1991.V.15.P.357.
4.
COMPUTER-AIDED LASER SYSTEMS FOR OBTAINING OF VIBRATING OBJECTS SPECKLE-INTERFEROGRAMS AND THEIR ANALYSIS
© 1999 D.S Yelenevsky, Yu.N. Shaposhnikov
Samara Scientific-Engineering Center of Automated Strength Tests and Diagnostics of Machines
The paper describes the structure of electronic correlating speckle-interferometer, which provides forming of high-contrast interferogram of object that is vibrating with resonance frequency. The interferogram is formed directly in computer memory.
1Зб
