голографическое ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ
НЕНУЛЕВОЙ ГАУССОВОЙ КРИВИЗНЫ
В.В.Нежальска, А.А.Рассоха
Голографический иммерсионный метод применен для исследования формы поверхности ряда объектов, в том числе лопаток газотурбинных двигателей.
Ряд элементов конструкций по требованиям, предъявляемым к ним в эксплуатации, должны иметь форму наружных поверхностей, очень точно соответствующую расчетной. К таким элементам относятся, в частности, лопатки газотурбинных двигателей, отклонение от формы которых вызывает возникновение вибраций дисков турбин в рабочих режимах.
Одним из эффективных способов определения формы поверхности, как известно, является иммерсионный голографический метод
[1]. В данной работе исследовалась эффективность этого метода в задачах точного определения формы поверхностей элементов конструкций, в частности, лопаток газотурбинных двигателей.
На рис.1 приведена схема созданного устройства для голографического исследования формы сложных поверхностей диффузно отражающих тел, в которой 1 - оптический квантовый генератор, 2 - микрообъектив, 3 - коллимирующая линза, 4 - голограмма одной экспозиции, 5 - лопатка газотурбинного двигателя, 6 - раствор этилового спирта в дистиллированной воде.
Методика определения формы изделия в реальном масштабе времени заключалась в следующем. По схеме, представленной на рис.1, получали голограмму одной экспозиции. После химической обработки фотопластина возвращалась в исходное положение благодаря специальному устройству переднего окна кюветы. Для записи голограммы использовались фотопластины ПФГ-03, лазер газовый ЛГ-79-1,
- 164 -
состав проявителя: на 400 мл воды - 15 мл раствора, в который входит метол - 2 г, гидрохинон - 5 г, фенидон - 0,3 г, сульфит натрия безводный - 40 г, поташ - 20 г, бура - 15 г, калий роданистый - 5 г, калий бромистый - 2 г, едкий калий - 5 г, вода дистиллированная - до 1 л.
Для возвращения фотопластины в исходное положение на переднее окно кюветы вклеивались три шарика диаметром 1,5 мм и три стержня, которые фиксировали фотопластину в исходное положение .
На рис.2 приведен эскиз устройства переднего окна кюветы для точного возвращения фотопластины в исходное положение. Через голограмму одной экспозиции наблюдалась и фиксировалась освещенная лазером поверхность изделия, покрытая интерференционными полосами.
На рис.3 приведена голографическая интерферограмма, полученная таким способом. На ней наблюдаются несколько интерференционных полос, возникших от погрешности установки пластины в исходное положение. Как следует из этой интерферограммы, эта погрешность не превышает 1 мкм, так как перемещение пропорционально числу интерференционных полос, умноженному на полудлину волны. Эта погрешность не влияет на результаты исследования формы, т.к. приводит лишь к смещению изделия относительно регистрирующей
фотопластины как твердого тела. Как правило, число таких "паразитных" полос, возникающих от неточности установки фотопластины, не превышало четырех и легко устранялось с помощью прижимов. В качестве иллюстрации того, что указанные полосы не влияют на расшифровку, на рис.4 приведено аксонометрическое изображение лопатки газотурбинного двигателя в исходном положении, а на рис. 5 - по голографической интерферограмме с тремя "паразитными" интерференционными полосами. Как следует из этих рисунков, аксонометрическое изображение отличается только поворотом как целого относительно оси х.
Второй источник возможных погрешностей при определении формы связан с влиянием температуры раствора, кюветы, фотопластины и изделия на интерференционную картину. В качестве примера такого
- 165 -
влияния на рис.6 приведена голографическая интерферограмма лопатки газотурбинного двигателя, полученная для случая, когда температура фотопластины была выше температуры кюветы, раствора и объекта на 3° С. Голографическая интерферограмма на рис.2 получена после того, как температура фотопластины выровнялась с температурой всей системы в отличие от интерферограммы рис.6. Еще больше интерференционная картина зависит от температуры раствора. На рис.7 приведена интерференционная картина, которая
образовалась при нагреве двухпроцентного раствора этилового спирта в дистиллированной воде на 2° по сравнению с исходной температурой.
На следующем рис.8 приведена интерференционная картина, характеризующая форму лопатки. Цена полосы здесь приближенно равна 150 мкм, т.к. эта интерферограмма соответствует двухпроцентному раствору этилового спирта в дистиллированной воде. Цена полосы определялась по формуле (1)
(1)
где
Δz - разность расстояний между поверхностью и окном кюветы для точек, лежащих на смежных интерференционных полосах (цена полосы), λ - длина волны света, n1 - показатель преломления воды, n2 показатель преломления раствора.
Аксонометрическое изображение изделия по голографической интерферограмме строилось с помощью формулы:
(2)
где n - номер интерференционной полосы. Полосы на голографической интерферограмме нумеровались так, чтобы смежным полосам соответствовали смежные целые числа и порядок возрастания этих чисел менялся бы только на линиях наименьшей и наибольшей высоты и асимптотических линиях в гиперболических точках поверхности (интерферометрические полосы с четырьмя ветвями).
На следующем рис. 9 приведена голографическая интерферограмма с большей чувствительностью, где
Δz »
15 мкм.
- 166 -
Как следует из сравнения аксонометрических изображений, построенных по голографическим интерферограммам (рис.4 соответствует рис.9, а рис.5 соответствует рис.8) уменьшение цены полосы увеличивает точность расшифровки.
Рис.1. Схема получения голограмм.
- 167 -
Рис.2. Устройство переднего окна кюветы
1 - прижимы,
2 - шарик, диаметром 5 мм,
3 - переднее окно кюветы,
4 - стержни.
- 168 -
Рис.3. Рисунок голографической интерферограммы в масштабе реального времени, полученной при установке фотопластины в исходное положение
Рис.4. Аксонометрическое изображение, построенное по голографической интерферограмме, приведенной на рис.9.
- 169 -
Рис.5. Аксонометрическое изображение, построенное по голографической интерферограмме, приведенной на рис.8.
Рис.6. Рисунок голографической интерферограммы, характеризующий различие температуры фотопластины и переднего окна кюветы.
- 170 -
Рис.7. Рисунок голографической интерферограммы, полученной при нагреве раствора на 2°, по сравнению с исходной температурой.
Рис.8. Рисунок голографической интерферограммы в масштабе реального времени, характеризующий форму лопатки газотурбинного двигателя.
- 171 -
Рис.9. Рисунок голографической интерферограммы полученной методом двух экспозиций, характеризующий форму лопатки газотурбинного двигателя.
Л и т е р а т у р а
1. Ч.Вест. Голографическая интерферометрия. Перевод с англ. - М.: Мир, 1982. - 504 с.
