CC BY
58
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 .
