CC BY
110
УДК 621.375
ПРИМЕНЕНИЕ ЦИФРОВОЙ ФОТОКАМЕРЫ В ОПТИЧЕСКОЙ СХЕМЕ
СПЕКЛ-ИНТЕРФЕРОМЕТРА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СТАТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ ДЕТАЛЕЙ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
© 2012 А. И. Жужукин, В. А. Солянников ОАО «КУЗНЕЦОВ», г. Самара
Спекл-интерферометр с совмещёнными пучками и спекл-модулированной опорной волной доработан и использован для исследования деформационных перемещений лопатки компрессора при статических испытаниях. В оптической схеме интерферометра для регистрации спекл-интерферограмм применена фотокамера. Это позволило повысить контраст интерференционных полос и увеличить диапазон допустимых деформационных перемещений.
Деформационные перемещения, спекл-интерферометрия, лазерные спеты, спекл-шум.
В настоящее время для изучения напряжённо-деформированного состояния (НДС) деталей и узлов конструкций авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) широко применяются расчётные методы. Точность современных расчётных методов очень высока и позволяет проектировать детали с высокой прочностью и надёжностью. Однако при проведении численных исследований всегда возникает задача определения достоверности полученных результатов. Поэтому экспериментальная оценка НДС деталей является обязательным и завершающим этапом при исследовании работоспособности, долговечности и надёжности деталей и узлов конструкций ГТД.
Для экспериментального определения НДС деталей и узлов авиационных двигателей применяются разные методы, в которых используются различные принципы измерений. К одним из наиболее эффективных средств относятся методы голографической интерферометрии[1] и цифровой спекл-интерферометрии[2].
Применение голографических методов связано с использованием высокоразрешающих регистрирующих сред с присущей им технологией фотохимической обработки, что делает испытания длительными и трудоёмкими. Развитые в последние годы методы цифровой спекл-интерферометрии свободны от этих недостатков и позволяют получать интерфе-
ренционную картину непосредственно на экране монитора, не используя при этом никаких промежуточных фоторегистрирующих носителей.
При регистрации деформации объекта методом цифровой спекл-интерферометрии особое внимание уделяется выбору оптической схемы интерферометра. Для этих целей в большинстве случаев используется оптическая схема цифрового спекл-интерферометра (ЦСИ) с гладкой опорной волной и разделёнными пучками [3]. Схемы таких ЦСИ оказываются громоздкими, требующими тщательной юстировки и надёжной виброизоляции, особенно при исследованиях НДС деталей при статических нагружениях. В работе [4] при исследовании температур -ных деформаций для повышения помехоустойчивости потребовалась разработка специального алгоритма. В настоящее время разработан ЦСИ, в котором оптическая схема несколько упрощена за счёт формирования предметного и опорного пучка путём деления по волновому фронту и использования спекл-модулирован-ной опорной волны [5]. Однако недостатком этого интерферометра является невысокая эффективность использования лазерного излучения. Кроме того, эта схема сложна при юстировке и требует проведения мероприятий по обеспечению виброзащиты. В работе [6] для исследования вибраций деталей ГТД разработан
ЦСИ с совмещёнными пучками и спекл-модулированной опорной волной, в котором опорный пучок сформирован с помощью диффузора, расположенного перед исследуемым объектом. Эта схема проста в юстировке, содержит малое число оптических элементов и обладает собственным
запасом устойчивости к внешним воздействиям. В данной работе этот интерферометр был доработан и использован при статических нагружениях для регистрации деформационных перемещений, перпендикулярных поверхности объекта (рис. 1).
а
б
Рис. 1. Общий вид и оптическая схема спекл-интерферометра для измерения статических деформаций деталей ГТД: 1 - лазер; 2, 3 - поворотные зеркала; 4 - расширитель пучка; 5 - держатель диффузора; б - диффузор; 7 - исследуемая деталь; В - зажимное устройство; 9 - устройство нагружения; 10 - фотокамера
Другой важной проблемой цифровой спекл-интерферометрии является недостаточный уровень контраста получаемых спекл-интерферограмм диффузных объектов из-за высокого вклада спекл-шумов. Поскольку спекл-шумы имеют мультипликативный характер, то создание эффективных алгоритмов для фильтрации шумов на спекл-интерферограммах затруднительно, что усложняет автомати-
зированную обработку интерферограмм. Первостепенное значение в этом случае имеет разработка средств уменьшения спекл-шумов на этапе проведения эксперимента. В данной работе в оптической схеме ЦСИ с совмещёнными пучками и спекл-модулированной опорной волной путём включения в схему высокоразрешающей фотокамеры вместо телекамеры с низким разрешением удалось добиться уменьшения уровня спекл-шумов на спекл-интерферограммах.
Когерентное излучение лазера 1 с помощью поворотных зеркал 2, 3 и линзы 4, проходя диффузор 6, освещает поверхность исследуемой детали 7. При этом образуются два спекл-поля: от диффузной поверхности исследуемой детали 7 и от диффузора 6. Результирующее спекл-поле, образованное в результате когерентного сложения двух спекл-полей, регистрируется с помощью фотокамеры 10. Отличительной особенностью данной установки является то обстоятельство, что диффузор 6 жёстко прикреплён к держателю 5 с помощью винтов. Держатель 5 выполнен в виде массивной рамы и притянут к зажимному устройству 8 болтами. Таким образом, исключаются относительные перемещения между диффузором 6 и исследуемым объектом 7, которые могут быть вызваны случайными внешними воздействиями.
Первоначально исследуемая лопатка регистрируется в исходном, ненагружен-ном состоянии. Комплексная амплитуда опорного ЕГ и предметного Е3 пучков:
Ег = егмфОД
Л = :-':) , (1)
где в.г, е „ и Фг.<рБ - случайно меняющиеся амплитуды и фазы спеклов опорной и предметной волн.
Фотоприёмная матрица фотокамеры 10 регистрирует результирующую интенсивность:
к = !1-+К +2-1 со £ (А ф), (2)
где 1Т = ЕГЕ;, = Е3Е,
5 5
= <Рт - Ъ
Затем лопатка 7 нагружается с помощью нагрузочного приспособления 9, снабжённого микрометрическим винтом, в результате чего она деформируется и результирующая интенсивность выразится формулой
І2 — К ~ 4+2Л/ЛЛс°5 (А<Р —
(3)
'2
где Дф - разность фаз между предметным и опорным пучками, вызванная деформацией. В случае, когда направление смещения, вызванное деформацией, нормально к поверхности,
где сЕ - смещение поверхности исследуемого объекта; X - длина волны используемого лазерного излучения.
В работе [7] показано, что корреляция между ]г и ]г определяется:
Это означает, что корреляционная связь между и ]г максимальна при Дф = 2тт, (6)
где п = 0,1,2, . . .,
что соответствует смещениям а
-' = :". (7)
Функция корреляции обращается в нуль при
Смещения в этом случае:
(9)
Если из изображения деформированного объекта (3) вычесть ранее зарегистрированное изображение объекта в исходном состоянии (2), то в точках, где выполняется условие (6), возникают тёмные полосы, а в точках, где выполняется условие (8), возникают светлые полосы. Мак-
симальное число полос, которое можно получить на спекл-интерферограмме, ограничивается размерами спеклов. Необходимым условием для наблюдения интерференционных полос в спекл-
интерферометрии является [7]:
К > 5, (10)
где К — отношение интервала между интерференционными полосами и размерами спеклов.
При этом поперечные размеры спеклов, регистрируемых видеосистемой, определяются по выражению
где М - увеличение объектива; - отношение фокусного расстояния используемого объектива к его апертуре.
В спекл-интерферометрии, как правило, М « 1. Следовательно, для наблюдения максимального числа интерференционных полос необходимо устанавливать минимальное Ма. Однако размер спеклов, формируемых объективом, должен быть таким, чтобы спеклы разреша-
лись телекамерой. Особенно это актуально для ЦСИ со спекл-модулированной опорной волной, так как при интерференции двух спекл-полей средний размер спеклов уменьшается [8]. Это накладывает жёсткие ограничения на величину Nc. Экспериментально установлено, что в случае использования телекамеры MTV -4363 CA, обеспечивающей регистрацию в стандартном телевизионном формате 640х480, для ЦСИ со спекл-
модулированной опорной волной необходимо выбирать Na = 22. Использование цифровых фотокамер в этом случае предпочтительнее, так как они обладают значительно большей разрешающей способностью, чем телекамеры. Для цифровой фотокамеры Canon EOS 1100D с разрешением 4272х2848 оптимальным является = Е На рис. 2 показаны результаты исследований деформаций 10-й ступени лопатки компрессора, полученные с помощью установки, показанной на рис.1.
Рис. 2. Спекл-интерферограммы деформационного поля перемещений лопатки 10-й ступени компрессора, полученные с помощью: а - фотокамеры Canon EOS 1100D; б - телекамеры MTV - 4363 CA
Погрешность вычисления значений деформационных перемещений при количественной интерпретации спекл-интер-ферограмм определяется погрешностью определения центров тёмных полос, которая, в свою очередь, связана с контрастом интерференционных полос выражением
[9]
Д5 = — — агссоэ (2- — р), (12)
где V - контраст интерференционных полос.
Ввиду того, что полоса на спекл -интерферограмме формируется спекли-стой структурой, для оценки контраста интерференционных полос в работе использована величина усреднённого контраста ¥ср полосы, которая вычислялась как
в _______ B
V _ ср(max) ср(min) (13)
с^ в + в 5
ср (max) ср (min)
где Вср(тах) - средняя яркость по центру
светлой полосы; Вср(тіп) - средняя яркость по центру тёмной полосы.
Проведённые измерения показали, что для различных участков спекл-интерферограммы, представленной на рис. 2, а, Є [0,39; ОД 6], в то время как
в пределах спекл-интерферограммы,
представленной на рис. 2, б,
1£р Е [0,27; 0,32]. Кроме того, применение цифровой фотокамеры Canon EOS 11OOD для регистрации спекл-
интерферограмм позволяет увеличить число наблюдаемых интерференционных полос (рис.3).
а
б
Рис. 3. Спекл-интерферограммы лопатки компрессора, полученные при различных статических нагрузках
Это является другим важным преимуществом применения фотокамеры. С помощью телекамеры МТУ - 4363 СА можно зарегистрировать не более 6 интерференционных полос. Согласно (7), это означает, что деформационные перемещения верхней кромки исследуемой лопатки компрессора равны 1,9 мкм. При-
менение фотокамеры позволило зафиксировать спекл-интерферограммы с 32 (рис. 3, а) и 62 (рис. 3, б) интерференционными полосами. Деформационные перемещения при этом составляют 10,1 мкм и 19,6 мкм, что соответствовало показаниям микрометрического винта устройства нагружения 9 на рис. 1.
Выводы
1. В оптической схеме ЦСИ с совмещёнными пучками и спекл-
модулированной опорной волной выявлена и экспериментально подтверждена возможность применения цифровой фотокамеры для регистрации спекл-
интерферограмм.
2. ЦСИ с совмещёнными пучками и спекл-модулированной опорной волной после доработок, заключающихся в создании жёсткой конструкции держателя диффузора и исключения относительных перемещений между диффузором и исследуемым объектом, применён для исследования деформационных перемещений лопаток ГТД.
3. В разработанном ЦСИ при статических испытаниях использование цифровой фотокамеры позволило повысить контраст интерференционных полос более чем на 30%.
4. Применение цифровой фотокамеры Canon EOS 1100D вместо телекамеры MTV - 4363 CA в разработанном ЦСИ привело к увеличению диапазона допустимых деформационных перемещений с 1,9 мкм до 19,6 мкм.
Библиографический список
1. Макаева, Р. Х. Голографическая интерферометрия при конструкторской доводке лопаток компрессора ГТД [Текст] / Р. Х. Макаева, М. Г. Хабибуллин, А. Х. Каримов // Изв. вузов. Авиационная техника. - 1999. - №2. - С. 72-74.
2. Цифровая голографическая интерферометрия как метод анализа деформаций. Современное состояние и перспективы развития [Текст] / В. С. Гуревич, М. Е. Гусев, В. Е. Гапонов и др. // Сбор-
ник 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.
3. Формирование спеклограмм в оптико-электронной схеме лазерного цифрового спекл-интерферометра [Текст] / О. А. Журавлёв, С. Ю. Комаров, Ю. Н. Шапошников [и др.] // Межвузовский научный сборник. «Естествознание, экономика, управление». - Самара: СГАУ, 2002. - Т.1. - Вып.3. - С. 55-62.
4. Сергеев, Р. Н. Применение цифро-
вого спекл-интерферометра с непрерывным лазером для исследований неустано-вившихся температурных деформаций
[Текст] / Р. Н. Сергеев // Изв. Самар. науч. центра РАН. - 2011. - №4. - С. 628-631.
5. Каленков, Г. Цифровая
корреляционная спекл-интерферометрия [Текст] / Г. Каленков, А. Штанько //
Фотоника. - 2010. - №4. - С. 25-28.
6. Жужукин, А. И. Мобильный
спекл-интерферометр для исследования форм колебаний вибрирующих объектов во внестендовых условиях [Электронный ресурс] / А. И. Жужукин // Труды МАИ-2011. - № 48. ШЬ: http://www.mai.ru/science/trudy/
7. Джоунс, Р. Голографическая и спекл-интерферометрия [Текст] / Р. Джоунс, К. Уайкс - М.: Мир, 1986. - 328 с.
8. Ульянов, С. С. Что такое спеклы [Текст] / С. С. Ульянов // Соровский образовательный журнал. - 1999. - №5. -С.112-116.
9. Козачок, А. Г. Голографические методы исследования в экспериментальной механике [Текст] / А. Г. Козачок
- М.: Машиностроение, 1984. - 175 с.
USING A DIGITAL CAMERA IN A SPECKLE - INTERFEROMETER OPTICAL SCHEME FOR THE ANALYSIS OF STATIC DEFORMATIONS IN GAS TURBINE
ENGINE ELEMENTS
© 2012 A. I. Zhuzhukin, V. A. Solyannikov «KUZNETSOV» plc, Samara
The article deals with a speckle-interferometer modification with a speckle-modulated reference wave and bunches passing the same optical way by means of including a digital camera in the speckle-interferometer optical scheme. The modified speckle-interferometer is used for the analysis of compressor blade deformation displacements during static tests. The use of a digital camera makes it possible to increase the image contrast of interference bands and the range of acceptable deformation displacements.
Deformation displacements, speckle - interferometry, laser speckles, speckle - noise.
Информация об авторах
Жужукин Анатолий Иванович, инженер-конструктор конструкторского научноисследовательского отделения, «ОАО КУЗНЕЦОВ». E-mail: [email protected]. Область научных интересов: голографическая и спекл-интерферометрия.
Солянников Виктор Анатольевич, кандидат технических наук, начальник конструкторского научно-исследовательского отделения, «ОАО КУЗНЕЦОВ». Область научных интересов: поузловая доводка ГТД по параметрам прочности, надёжности и ресурсу.
Zhuzhukin Anatoly Ivanovich, design engineer of the design research department, “Kuznetsov”plc. E-mail: [email protected]. Area of research: holographic and speckle-iterferometry.
Solyannikov Victor Anatolyevich, candidate of technical science, head of the design research department, “Kuznetsov”plc. Area of research: operational development of gas turbine engine elements in terms of their service life, reliability and strength parameters.
