CC BY
47
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И
Т о м VII 1 97 6 №4
УДК 629.7.015.4.023
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА СПЕКЛ-ГОЛОГРАФИИ ДВОЙНОЙ АПЕРТУРЫ ДЛЯ ВЫДЕЛЕНИЯ ПЛОСКОГО КОМПОНЕНТА ДЕФОРМАЦИИ ВБЛИЗИ КОНЦЕНТРАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЙ
И. В. Волков
Описывается применение метода спекл-голографии двойной апертуры для измерения одного плоского компонента поля деформации элементов конструкций. Направление регистрируемого компонента деформации определяется направлением расположения центров двух апертур. Утверждается, что метод может применяться при исследовании механики деформации в зоне различных концентраторов, в том числе и усталостных трещин, вследствие высокой чувствительности к регистрируемой деформации. Из-за отсутствия жестких требований к механической стабильности объекта, присущих голографическим методам, данный метод позволяет исследовать различные элементы конструкций на испытательных машинах электрогидравли-ческого действия. Показано, что вследствие малости используемого диаметра апертур, формирующих изображение, не предъявляется высоких требований к аберрациям применяемой линзы.
Применение метода спекл-голографии* при регистрации деформаций вблизи концентраторов напряжений, как было показано ранее [1], позволяет исследовать натурные элементы конструкции при испытании в промышленных условиях при значительных вибрациях. Малая чувствительность метода к вибрации объясняется локальной записью информации от всего объекта, присущей спекл-голографии. Этими же достоинствами обладает рассматриваемый метод двойной апертуры, являющийся разновидностью спекл-голографии и имеющий прямую аналогию с методом муара. Как известно, метод муара позволяет непосредственно по картине полос вычислять компоненты деформации, определяемые направлением сеток (растров). Аналогично в данном методе регистрируется плоский компонент деформации,определяемый направлением расположения апертур оптической системы, образующих сетчатую структуру на фоне спекл-изображения. Однако никаких заранее нанесенных сеток или линий при этом не требуется, как в обычном методе муара.
Достоинствами данного метода являются его простота, универсальность и достаточная точность регистрации деформаций. Метод является бесконтактным и не требует специальной подготовки поверхности. Чувствительность его эквивалентна чувствительности обычных методов голографии.
Описание метода спекл-голографии двойной апертуры [2]. В рассматриваемом методе исследуемая поверхность освещается коллимированным или сфери-
* Спекл-голография — метод голографии сфокусированных изображений без опорного пучка. „Спекл“ (Speckle) означает зернистость сфокусированного изображения, освещенного когерентным светом диффузно отражающего предмета.
ческим фронтом волны от оптического квантового генератора (ОКГ). При этом требования к когерентности источника, а также к разрешающей способности регистрирующего материала сводятся к минимуму.
В рассматриваемой оптической схеме регистрации деформации (фиг. 1) при помощи линзы Л образуется сфокусированное изображение диффузно рассеивающей поверхности на фотографической пластинке Г. Перед линзой расположена непрозрачная маска, содержащая два отверстия (апертуры оптической системы) диаметром й, отстоящих друг от друга на расстоянии Г).
Если одну из апертур закрыть, то другая будет формировать в плоскости голограммы спекл-изображение диффузно рассеивающей поверхности. При этом ■средний размер спекла обратно пропорционален размеру апертуры с[, В случае прохождения излучения через две апертуры на фоне спеклов будут формироваться интерференционные полосы, которые располагаются перпендикулярно линии, соединяющей центры апертур. Таким образом, на сфокусированном изображении образуется периодическая мелкая сетчатая структура. Вращением пары отверстий можно изменить ориентацию сетки в любом направлении.
Расстояние между линиями сетки в плоскости изображения определяется формулой
X
где X — линия волны используемого излучения;
а — полуугол между лучами, образованными двумя апертурами (см. фиг. 1). Принимая во внимание малость угла а, имеем:
в1п а tga = 0/2В. (2)
Учитывая выражение
В = тА, (3)
где т — увеличение линзы;
А — расстояние от объекта до линзы;
В— расстояние от линзы до голограммы, и подставляя (2) и (3) в формулу (1), получим:
ХАт •
*| = —■ (4)
Расстоянию й/ в плоскости изображения соответствует расстояние £0 = &«7,ив плоскости объекта. Следовательно, расстояние между линиями сетки определяется формулой
\А
*о=^-. (5)
Частоту линий сетки можно подбирать путем изменения расстояния либо до объекта А, либо между апертурами О и тем самым увеличивать или уменьшать чувствительность к регистрируемым деформациям.
Минимальное расстояние до объекта обычно ограничивается величиной последнего и параметрами оптической системы (размером изображающей линзы).
Экспонируя фотопластинку описанным способом, обрабатывая и возвращая ее точно в исходное положение, можно наблюдать в реальном масштабе времени полосы муара, пученные путем наложения наблюдаемого изображения с зарегистрированным нол фотопластинке. По мере перемещения объекта как жесткого-целого в напраавлении, параллельном линии, соединяющей две апертуры, освещенность плоскости изображения попеременно изменяется от минимума к максимуму. Малые местные приращения поверхности будут образовывать картины полос — полосы равных смещений в направлении регистрируемого компонента деформации. Расстояние между полосами соответствует приращению смещения на величину Ь0, определяемую из формулы (5).
Чувствительность метода определяется угловой апертурой оптической системы, ее можно повысить, увеличивая диаметр изображающей линзы.
Экспонируя голограммы до и после приложения деформирующей нагрузки, получаем обычные спекл-голограммы двойной экспозиции. При этом полихроматическая картина полос может наблюдаться в белом свете. Для улучшения контраста картины полос применяется обычно метод пространственной фильтрации дифракционных порядков, оптическая схема которого приводится на фиг. 2.
Следует отметить, что при выборе оптических элементов схемы регистрации отношение /5/й желательно выбирать большим, так как при этом контраст картины полос будет лучше, а следовательно, количество видимых полос будет больше. Это позволит увеличить интервал нагрузки и величину регистрируемых деформаций.
Применение метода для регистрации деформаций. Для проверки эффективности метода были проведены эксперименты с плоскими образцами на растяжение на испытательной машине ЦД-4 с регистрацией деформаций вблизи концентраторов напряжений. Освещение образца производилось лучом от ОКГ ЛГ-36А, расширенным и коллимированным с помощью оптической схемы, расположенной на особом основании вблизи испытательной машины. Регистрирующую оптическую схему, включающую фотообъектив ,Юпитер-9“ с маской, содержащей два отверстия, и голограмму, располагали на специальной плите, прикрепленной к нижнему захвату машины.
Были проведены эксперименты с различными размерами апертур, оптимальными выбраны с й=10 мм при В = 27 мм. Расстояние до образца составляло А = 130 мм, а чувствительность полос к приращению смещения их = 3,2 мкм.
Для получения голограмм использовались фотопластинки „Микрат ВРЛ“.
Фиг. 4
Фиг. 5
£„■=35,9-10 s
Фиг. 6
Для проверки метода были проведены эксперименты с одновременной регистрацией деформаций тензодатчиком ДК-25 и описанным способом. Испытания были проведены на плоском образце из углепластика без концентратора напряжений. На интервале разгрузки 950—600 даН оптическим методом были измерены деформации е =- 43-10~8, в то время как тензодатчик показал деформацию ® эид = 36-Ю-.
Полученная интерферограмма данного образца показана на фиг. 3. На фиг. 4 приведена интерферограмма плоского образца с отверстием диаметром 5 мм из материала ВНС-2 при растяжении. Наклон полос показывает на неосевое растяжение образца. Таким же образом был испытан образец из материала Д-19 с двумя несимметричными усталостными трещинами вблизи отверстия диаметром 5 мм.
На интерферограмме (фиг. 5) по картине полос можно определить место начала трещины, хотя невооруженным глазом обнаружить его было трудно. По базе, равной расстоянию между соседними полосами в зоне концентрации, построена эпюра деформаций, показанная на фиг. 6. Цена полосы, как было указано выше, составляла 3,2 мкм.
ЛИТЕРАТУРА
1. Волков В. И. Исследование механики деформаций натурных образцов с концентраторами методом speckle-голографии. Материалы 6 Всесоюзной школы по голографии, 1974. Ленинград, Изд. АН СССР.
2. Donal Е. D u f f у. Moire gauging of in-plane displacement using double aperture imaging. Applied Optics., vol. 11. N 8, 1972.
Рукопись поступила 28/VIII 1975 г.
