Научная статья на тему 'Мобильный цифровой спекл-интерферометр с непрерывным лазером для регистрации деформационных полей перемещений и дефектоскопии конструкционных материалов'

Мобильный цифровой спекл-интерферометр с непрерывным лазером для регистрации деформационных полей перемещений и дефектоскопии конструкционных материалов Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
183
58
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЦИФРОВОЙ СПЕКЛ-ИНТЕРФЕРОМЕТР / НЕПРЕРЫВНЫЙ ЛАЗЕР / ОПТИЧЕСКАЯ СХЕМА / DIGITAL SPECKLE INTERFEROMETER / A CONTINUOUS LASER / OPTICAL SYSTEM

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Сергеев Роман Николаевич, Харчикова Юлия Владимировна

В работе рассматриваются вопросы разработки мобильного цифрового спекл интерферометра (ЦСИ) с непрерывным лазером за счет применения оптической схемы с совмещенными каналами спекл-модулированных пучков, а также использования алгоритмов статистической и покадровой обработки регистрируемых спекл структур. Приведены примеры применения интерферометра при различных вариантах компоновки его функциональных элементов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Сергеев Роман Николаевич, Харчикова Юлия Владимировна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

MOBILE DIGITAL SPECKLE INTERFEROMETRY WITH CW LASERS DEFORMATION FIELD FOR REGISTRATION OF MOVEMENTS AND FLAW STRUCTURAL MATERIALS

This paper discusses the development of mobile digital speckle interferometer with a CW laser through the use of the optical system with co channel speckle modulated beams, as well as the use of algorithms and statistical processing of time lapse recorded speckle patterns. Examples of the use of an interferometer with various layout options for its functional elements.

Текст научной работы на тему «Мобильный цифровой спекл-интерферометр с непрерывным лазером для регистрации деформационных полей перемещений и дефектоскопии конструкционных материалов»

УДК 621.375

МОБИЛЬНЫЙ ЦИФРОВОЙ СПЕКЛ-ИНТЕРФЕРОМЕТР С НЕПРЕРЫВНЫМ ЛАЗЕРОМ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ПОЛЕЙ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ И ДЕФЕКТОСКОПИИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

© 2012 Р.Н Сергеев, Ю.В. Харчикова

Самарский государственный аэрокосмический университет им. академика С.П. Королёва (Национальный исследовательский университет)

Поступила в редакцию 25.01.2012

В работе рассматриваются вопросы разработки мобильного цифрового спекл-интерферометра (ЦС И ) с непрерывным лазером за счет применения оптической схемы с совмещенными каналами спекл-модулированных пучков, а также использования алгоритмов статистической и покадровой обработки регистрируемых спекл-структур. Приведены примеры применения интерферометра при различных вариантах компоновки его функциональных элементов.

Ключевые слова: цифровой спекл-интерферометр, непрерывный лазер, оптическая схема

1. ВВЕДЕНИЕ

В аэрокосмической отрасли основной упор при отработке изделий перенесен на наземную экспериментально-испытательную базу [1]. Проведение наземной отработки позволяет обеспечить высокую надежность изделий за счет возможности получения большого объема количественной информации о поведении узлов, агрегатов и элементов конструкции, возможности осмотра и анализа изделий после испытаний, применения ЭВМ для моделирования различных ситуаций. В данных условиях необходимо постоянное совершенствование приборов и систем экспериментально-испытательной базы, так как контрольно-испытательные работы составляют до 40% в трудоемкости изготовления космических аппаратов (КА) [2].

Большой информационной емкостью отличаются оптические измерительные системы, создаваемые с применением лазерной техники. Особое значение имеют лазерные интерферо-метрические системы, позволяющие производить регистрацию деформационно-вибрационных параметров на больших площадях исследуемых объектов. Наибольшую ценность имеют лазерные интерферометры, которые наряду с требуемыми метрологическими характеристиками обладают совместимостью со сложившейся технологией разработки, производства и испытания изделий.

Появление в последние годы цифровых го-лографических и спекл-интерферометрических

Сергеев Роман Николаевич, аспирант кафедры «Автоматические системы энергетических установок», инженер-конструктор 1 категории ФГУПГНПРКЦ «ЦСКБ-Про-гресс», E-mail: [email protected]. Харчикова Юлия Владимировна, магистр кафедры «Автоматические системы энергетических установок».

систем позволило сделать их значительно более технологичными - устранить необходимость затемнения помещения, химической обработки фотоматериалов, оцифровки и ввода информации в компьютер [3].

С экспериментальной точки зрения преимуществом методов спекл-интерферометрии перед голографической интерферометрией является существенное снижение пространственной частоты регистрируемых полей, что делает схему менее восприимчивой к случайным воздействиям, снижает требования к разрешающей способности телекамеры и позволяет использовать в качестве источника лазер с непрерывным излучением.

Расширению возможностей применения созданного в СГАУ стационарного ЦСИ с непрерывным лазером способствовал разработанный программный метод статистической обработки спекл-изображений колеблющихся объектов, приводящий не только к подавлению влияния случайных нагрузок, но и использованию их для повышения контрастности вибрационных спекл-интерферограмм [4]. Практически значимым оказался разработанный здесь же алгоритм усреднения спекл-изображений по регистрируемым 25 кадрам за одну секунду, обеспечивший возможность измерения методом двух экспозиций статических деформаций элементов конструкций на оптическом столе интерферометра [5]. Следующий алгоритм с покадровой обработкой последовательного ряда изменяющихся во времени интерферограмм прошел успешную апробацию при исследовании неустановившихся температурных деформаций и дефектоскопии модельных объектов [6].

К недостаткам стационарных ЦСИ можно отнести сложность типовой оптической схемы, заимствованной из голографической интерферо-

Рис. 1. Типовая схема стационарного спекл-интерферометра: I - предметный пучок, II - волновой фронт предметного пучка, III - сферический волновой фронт опорного пучка, IV - опорный пучок, V - объект;1 - фокусирующая линза; 2 - светоделитель; 3 - входная диафрагма; 4 - объектив; 5 - ПЗС матрица телекамеры

метрии (рис.1) [7]. Это приводит к необходимости сборки схемы на громоздком интерферомет-рическом столе, повышает требования к тщательности её юстировки.

Указанные особенности затрудняют применение ЦСИ в условиях испытательных стендов на предприятии. Здесь необходимо создание класса мобильных ЦСИ, отличающихся простотой оптической схемы и обладающих совместимостью с конструкциями тепловакуумных камер и технологией проведения испытаний. Одну из основ мобильных ЦСИ могут составить созданные ранее программные методы статистической обработки спекл-изображения.

2. ОТРАБОТКА СХЕМЫ ИНТЕРФЕРОМЕТРА С СОВМЕЩЕННЫМИ КАНАЛАМИ СПЕКЛ-МОДУЛИРОВАННЫХ ПУЧКОВ

Проведенный анализ оптических схем вне-стендовых голографических и спекл-интерфе-рометров позволил выделить для построения

мобильного ЦСИ оптическую схему с совмещенными каналами спекл-модулированных предметного и опорного пучков [8], отличающуюся как малым числом элементов, так и простотой юстировки. Важной особенностью схемы с совмещенными пучками является, как показано в [9], наличие запаса устойчивости её к случайным колебаниям источника излучения. Применение в данной схеме разработанного в [4] программного метода статистической обработки спекл-интер-ферограмм колеблющихся объектов позволило создать мобильный виброметрический ЦСИ с повышенным уровнем помехоустойчивости [10].

Возможность применения выбранной схемы для определения деформационных перемещений отрабатывалась на промежуточной модели ЦСИ (рис. 2). В данной модели ЦСИ непрерывный лазер 1, телекамера 7 (с ПЗС матрицей 752х582 пикс) и формирователь 2-4 пучка располагаются на оптическом столе 9 без виброзащиты. Исследуемый объект 6, диффузор 5 и нагрузочное устройство 10 устанавливаются отдельно на платформе 11 геодезического штатива.

Диффузор 5 выполнен в виде пропускающей светорассеивающей пластины, расположенной перед исследуемым объектом 6. Для выполнения данного условия исследуемый объект 6 (прямоугольная металлическая пластина) и диффузор 5 закреплены на разных сторонах специально выполненной металлической рамки, которая в свою очередь была зажата в тисках, находящихся на платформе 11.

Регистрация деформационных перемещений объекта производится в два этапа по методике, описанной в [5]. В качестве нагрузочного устройства 10 использовался механический толкатель с микрометрическим винтом. На экран монитора ПЭВМ 8 выводится разностное изображение, представляющее собой искомую спекл-интерферограмму (рис. 3 а). Для сравнения на рис. 3 б дана спекл-интерферограмма этой

Рис. 2. Схема промежуточной модели мобильного цифрового спекл-интерферометра: 1 -газовый лазер ГН 15-1; 2 - микрообъектив; 3 - точечная диафрагма; 4 - линза; 5 - диффузор; 6 -исследуемый объект; 7 - регистратор (телекамера ^^ес-902Н с фотообъективом Юпитер -8); 8 - ПЭВМ; 9 - оптический стол; 10 - нагрузочное устройство; 11-платформа геодезического штатива

а) б)

Рис. 3. Сравнительные спекл-интерферограммы деформационного поля перемещений статически нагруженной пластины с жесткой заделкой по контуру, полученные в модели мобильного (а)

и в стационарном (б) цифровых интерферометрах

¡й аж/тщч ЩШШ

- ■ - / 13

Й^ШРШК

ШШЩШ^!.

- -> ^абЯМЙВР

ШШшёШШШъШ

йёй - :

етйв ••• • - • »•;.-. Ч: • • Аг чшвМВШк ша > " ^ -" " шШ .-V »

-V?» - - ?

ЙЙЙ ЩШйк ■

7 % - - - . - Ш .Г".

Ж

Рис. 4. Фрагмент спекл-интерферограмм процесса температурного деформирования пластины

при остывании (интервал между кадрами 0,2 с)

же пластины, полученная в схеме стационарного ЦСИ при сходных условиях нагружения.

На рис. 4 представлен ряд спекл-интерферограмм деформационных перемещений пластины, соответствующий процессу ее остывания после нагрева тепловым потоком. Регистрация неустановившихся температурных деформаций пластины производилась по методике, описанной в [6].

Несмотря на некоторое снижение контрастности получаемых спекл-интерферограмм по сравнению с [5, 6], рассматриваемая модель ЦСИ с непрерывным лазером обладает достаточным уровнем метрологических возможностей для измерения деформаций натурных конструкций.

Представленные результаты исследований говорят о принципиальной возможности применения выбранной схемы для создания мобильного ЦСИ. Однако необходимо выполнение следующего этапа исследований с размещением лазера и телекамеры интерферометра на мобильных основаниях.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРИМЕНЕНИЯ МОБИЛЬНОГО ЦСИ

В представленной на рис. 5 схеме мобильного ЦСИ малогабаритный лазер с диодной накачкой 1 и формирователь пучка 2 размещаются непосредственно на обычном аудиторном столе 3, а регистратор 4 находится на дополнительной переносной опоре в виде геодезического штатива.

В качестве диффузора 5 применялась пластина из органического стекла толщиной 8 мм с нанесенным на сторону, обращенную к телекамере, дисперсным покрытием из частиц краски.

В качестве нагрузочных приспособ-лений использовались механический толкатель с микрометрическим винтом, устройство для вакуумиро-вания, а также тепловой источник. Если два первых нагрузочных приспособления применялись для создания только конечного напряженного состояния, то тепловой источник обеспечивал

Рис. 5. Схема мобильного цифрового спекл-интерферометра: 1 - твердотельный лазер LCS-DTL-317-50; 2 - линза; 3 - аудиторный стол; 4 - регистратор (цифровая телекамера Ша1ес-902Н с фотообъективом Юпитер-8); 5 - диффузор; 6 - рамка с исследуемым объектом; 7 - узел крепления рамки на массивном основании; 8 - ПЭВМ

д.; V•

-Штттфшщфт

ЩЩЯвЩ

шшттштт

ШШ

а) б) в)

Рис. 6. Сравнительные спекл-интерферограммы пластин с дефектами в виде одиночного глухого отверстия (а), 3-х лунок (б) и бездефектной пластины (в)

возможность получения режима с неустановившимся температурным деформированием объекта.

Исследуемые объекты отличались видом искусственно созданных дефектов (одиночное глухое отверстие диаметром 5 мм, область с тремя одинаковыми неглубокими лунками диаметром 5 мм), находящихся на обратной от лазера стороне пластины в области её оси симметрии.

Результаты проведенных исследований при температурном нагружении анализируемых пластин даны на рис. 6.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Показана актуальность разработки и создания класса мобильных ЦСИ для проведения теп-ловакуумных испытаний изделий аэрокосмической отрасли. На основании проведенного анализа выделена оптическая схема ЦСИ с совмещенными каналами спекл-модулирован-ных пучков. Экспериментально доказана работоспособность данной схемы при определении деформационных полей перемещений и дефек-

тоскопии конструкции. Метрологические возможности мобильного интерферометра подтверждены путем сравнения полученных результатов с данными стационарного ЦСИ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Конструирование автоматических космических аппаратов [под ред. Д. И. Козлова]. М.: Машиностроение, 1996. 448 с.

2. Фирстов В.Г. ,Застрогин Ю.Ф. , Кулебякин А.З. Автоматизированные приборы диагностики и испытаний. М.: Машиностроение, 1995, 288 с.

3. Цифровая голографическая интерферометрия как метод анализа деформаций. Современное состояние и перспективы развития /В. С. Гуревич, М.Е. Гусев, В.Е. Гапонов и др.//Сборник трудов 7-й Международной научно-практической конференции «Голография -наука и практика», Москва, 28-30 сентября 2010. М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2010, С. 350-357.

4. Комаров С.Ю. Помехоустойчивый цифровой спекл-интерферометр для виброметрии объектов на основе метода усреднения во времени: Дисс. ... канд. техн. наук. Самара: СГАУ, 2004. 234 с.

5. Сергеев Р.Н. Исследование деформаций пластин с помощью цифрового спекл-интерферометра / / Сб.

докл. «VI Самарская конкурс-конференция», Самара: Изд-во «Универс групп», 2008. С. 31-37.

6. Сергеев Р. Н. Применение цифрового спекл-интер-ферометра с непрерывным лазером для исследований неустановившихся температурных деформа-ций//Известия Самарского научного центра РАН. 2011. №4, С. 628-631.

7. Джоунс Р., Уайкс К. Голографическая и спекл-интер-ферометрия. М.: Мир, 1986, 328с.

8. Патент РФ № 71429 G 01 Н 9/00. Устройство для исследования форм колебаний / А.И. Жужукин, 2007. Опубликовано 10.03.2008. Бюл. №7.

9.

10.

Волков И.В. Спекл-голография в экспериментальной механике: Монография. Пенза: Изд-во Пенз. гос. технол. акад., 2010. 199 с.

Разработка мобильного цифрового спекл - интерферометра с лазером непрерывного излучения для определения вибрационных характеристик натурных объектов / О.А. Журавлёв, А.И. Жужукин, С.Ю. Комаров, Р.Н. Сергеев// Тез. докл. IX междун. науч.-техн. конференции «Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского хозяйства», Ростов-на-Дону, 2010.

MOBILE DIGITAL SPECKLE INTERFEROMETRY WITH CW LASERS DEFORMATION FIELD FOR REGISTRATION OF MOVEMENTS AND FLAW STRUCTURAL MATERIALS

© 2012 R.N. Sergeev, J.V. Harchikova

Samara State Aerospace University named after S.P. Korolyov (National Research University)

This paper discusses the development of mobile digital speckle interferometer with a CW laser through the use of the optical system with co-channel speckle-modulated beams, as well as the use of algorithms and statistical processing of time-lapse recorded speckle patterns. Examples of the use of an interferometer with various layout options for its functional elements. Keywords: digital speckle interferometer, a continuous laser, optical system

Roman Sergeev, Graduate Student at the Automatic System of Power Plants Department, Designer-Engineer 1 Category , E-mail: [email protected].

Julia Harchikova, Master of the Automatic System of Power Plants Department .

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.