Media-security

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИКИ ДЕФОРМАЦИЙ НАТУРНЫХ ОБРАЗЦОВ С КОНЦЕНТРАТОРАМИ МЕТОДОМ "spekle" ГОЛОГРАФИИ

И.В.Волков

В работе рассмотрено применение "безопорных" speckle голограмм сфокусированных изображений для регистрации деформаций вблизи концентраторов напряжений. Рассмотрены два метода расшифровка интерферограмм. Приводится оценка точности измерений деформаций и перемещений вблизи вырезов, наплывов, а также в заклепочных и болтовых соединениях.

Ранее при испытании в сложных промышленных условиях на испытательных машинах была показана возможность получения голограмм и использование интерферометрии для регистрации деформаций натурных конструкций. При этом использовалась гибкая оптическая схема с уединенным ОКГ и оптической схемой, расположенной на испытательной машине (см.рис.1). Однако это удавалось достичь путем жесткой связи всех элементов оптической схемы, включая конструкцию. В результате проведенной дальнейшей работы по голографированию на испытательной машине при больших нагрузках, было установлено значительное влияние вибраций образца вследствие электрогидравлического принципа действия машины, что побудило искать другие голографические методы которые при сохранении чувствительности интерферометрических измерений работали бы на больших нагрузках при значительных вибрациях образца.

Выбор был сделан на "speckle" голографии, Теоретические основы метода отражены в работах наших ученых Г.В.Скроцкого, И.С.Клименко, Н.Г.Власова и др. /1-5/, а также в работах зарубежных ученых apchbold, a.e.ennos, j.a.leendertz, i.burch и др. /6-8/.

- 370 -

Следует заметить, что промышленные вибрации объекта практически не оказывают влияния на качество восстановления. В этом методе для каждого элементарного изображения точки роль протяженной опорной волны играет совокупность всех остальных изображений точек, которые вследствие таутохронизма линзы, накладываясь друг на друга без смещения, образуют зернистую структуру сфокусированного изображения объекта. Таким образом, элементарное сфокусированное изображение точки промодулировано интенсивностью объектной волны с сохранением фазы огибающей, а не амплитудной опорной, как в обычной голографии. Поэтому эти голограммы еще называют голограммами интенсивностей.

Интересным свойством этих голограмм является их способность восстанавливать полихроматическое изображение в белом свете, которое является следствием локальной записи информации.

Интерференционная полихроматическая картина полос наблюдается лишь в дифракционном ореоле, окружающем нулевой максимум.

Процесс получения "безопорных" speckle голограмм сфокусированных изображений представляет собой обычное фотографирование в диффузно-рассеянном когерентном излучении (см. рис.2).

Внешне такая голограмма выглядит как негативное фотографическое изображение предмета, однако наличие сложной пространственной структуры сообщает ей основные свойства голограмм. Для регистрации смещений и деформаций поверхности объектов производится двойное экспонирование объекта, одно до приложения нагрузки или на некотором этапе нагружения, другое после приложения дополнительной нагрузки.

Данный метод относительно не чувствителен к смещению поверхности из плоскости, т.е. по направлений к фотообъективу. Но этот метод оказывается пригодным для регистрации деформаций и перемещения объектов в их плоскости. Привлекает в этом методе простота получения интерферограмм. Освещая неразведенным пучком любую точку негативного изображения объекта, мы на экране увидим дифракционную картину интерференционных полос Юнга (см. рис.3а), имеющих угловое расхождение, определяемое формулой

- 371 -

где u - абсолютная величина смещения данной точки объекта; m - коэффициент увеличения изображения; l - длина волны используемого излучения. Теоретический диапазон регистрируемых перемещений составляет от u_min=1,2l f, где f - апертурное число фотообъектива, до , где l - диаметр высвечиваемого изображения.

Направление полос будет ортогонально направлению смещения. Таким образом, при расшифровке интерферограмм величина перемещения любой точки объекта может быть определена сканированием неразведенным лучом по поверхности изображения и измерением углового расхождения полос j .

На рис.3б показаны картины полос Юнга в 3-х точках испытываемого образца, которые отражают разную величину перемещений поверхности. По этим полосам можно не только определить главные векторы смещения точек в плоскости изображения, но и вычислить деформацию,, взяв за базу интересуемые точки.

В таблице приводятся результаты поверочных экспериментов на плоском стандартном образце с тензодатчиком ДК-25. Отмечается удовлетворительное совпадение измерений на базе датчика равной 20мм. Нами измерялся диапазон смещений точек поверхности от 6 микрон до 100, но его можно расширить практически от 2 микрон до 200 и более. В нашем эксперименте для получения изображения применялся фотообъектив "Юпитер-9" с ¦ =85 мм и f=2, при этом высвечивалось изображение образца диаметром 30мм.

При этих условиях u_min=1,5m и u_max=5мм. Но это теоретические пределы измеряемых перемещений, в эксперименте этот диапазон: уменьшается из-за качества контраста полос получаемой дифракционной картины. Погрешность измерения и вычисления перемещений составляла у нас в среднем 2%. Погрешность вычисления относительной деформации по перемещении составляла 10% вследствие малости приращения перемещения при деформировании от точки к точке из-за посторонних смещений.

В связи с этим следует отметить, что устранение постороннего перемещения образца как общего целого в процессе нагружения его на испытательной технике приведет к повышении точности

- 372 -

измерения деформаций по перемещению.

Более удобным и более точным методом анализа и определения деформаций является другой метод расшифровки интерферограмм - метод пространственной фильтрации, оптическая схема которого изображена на рис.4. В этом случае голограмма подсвечивается коллимированным пучком и изображение восстанавливается с помощью линзы, в фокальной плоскости которой расположена малая круговая диафрагма (точное отверстие). Изображение при этом формируется только лучами, дифрагированными в направлении этой диафрагмы, расположенной под углом j к оптической оси и имеющей направление азимута y . Полученная таким образом интерферограмма отражает плоскую компоненту деформации поверхности, имеющую направление азимута y и цену полосы:

Изменяя азимут диафрагмы y , можно изменить направление компоненты регистрируемого поля смещения. Меняя угол расположения диафрагмы j , можно изменять чувствительность регистрации деформаций поверхности. Наибольшая чувствительность достигается в случае расположения диафрагмы (фильтра) на краю дифракционного ореола. Но интенсивность дифракционного ореола неоднородна и падает в радиальном направлении от центра, поэтому интенсивность, а тем более и контраст картины полос резко падает при удалении от центра. На рис.5 видны изображения отфильтрованных полос при разных чувствительностях одной (продольной осевой) компоненты деформации образца с симметричным вырезом на различных этапах в интервалах нагружения с указанными ценами полос, полученных от разных голограмм. По этим картинам полос можно определить относительную деформацию”, взяв за базу расстояние между любыми двумя точками и определив приращение смещения между этими точками. На рис.6.показаны отфильтрованные компоненты осевой деформации пря разных чувствительностях от одной голограммы, полученной на интервале нагрузки 1100 - 900 кг (97% p_max).

В заключение следует заметить, что точность вычисления деформации в значительной степени зависит от точности нахождения середины полосы, необходимой при определении базы.

- 373 -

Рис.1.

- 374 -

Рис. 2.

- 375 -

Рис.3а

- 376 -

Рис.3б.

- 377 -

Рис.4. Выделение компонент деформации (фильтрация).

- 378 -

ul =5,71m ul =7,76m

D p=650-800 кгс D p=800-950 кгс

ul =5,71m ul =4,51m

D p=750-500 кгс D p=800-500 кгс

Рис.5.

- 379 -

ul =12,6m ul =5,9m

ul =7,4m ul =6,25m

Рис.6.

Таблица

№№ образца	Интервал нагрузки Р₁ Р₂, кгс	D Р, кгс	m'l l =0,6328m	Коэффициент уменьшения m	Расстояние от голограммы до экрана в /мм/	№№ точек	Размер дифракционного поля А /мм/	Число полос n	Расстояние между полосами s /мм/	Угол расхождения полос	Абсолютная величина смещения точек	Угол направления полос a ^о	cosa	ua = u∙cosa (m )	D ua = ua ₁-ua ₃ (m )	Относительная деформация	Показания датчика ДК-25
1	500-600	100	0,2791	0,441	374	1 2 3	35,5 43,5 42,0	16 19 18	2,22 2,27 2,33	0,005931 0,006122 0,006238	47,058 45,511 44,741	-3,0 -5,0 -4,5	0,9986 0,9962 0,9969	47,058 45,511 44,742	2,316	11,58∙10^-5	14,0∙10^-5
2	500-700	200	0,2791	0,441	567	1 2 3	46,0 57,5 57,5	17 20 19	2,71 2,87 3,15	0,004771 0,005061 0,005337	58,487 55,112 52,295	-5,0 -7,0 -9,0	0,9962 0,9925 0,9877	58,487 55,112 52,295	6,192	30,96∙10^-5	28,0∙10^-5
3	500-800	300	0,2791	0,441	687	1 2 3	59,0 68,5 52,5	19 20 14	3,105 3,31 3,33	0,004520 0,004971 0,005458	61,746 55,511 54,436	+18,5 +19,0 +17,5	0,9483 0,9455 0,9537	58,554 53,112 48,768	9,786	48,93∙10^-5	42,0∙10^-5
4	500-600	100	0,40373	0,638	380	1 2 3	61,5 53,0 43,0	4 3 2	15,36 17,67 21,51	0,04045 0,04650 0,05660	9,945 8,685 7,137	-17,5 -20,0 -19,0	0,9537 0,9397 0,9455	9,484 8,161 6,348	3,036	15,18∙10^-5	14,0∙10^-5
5	500-700	200	0,40373	0,638	383	1 2 3	66,0 61,0 64,5	8 6 5	8,25 10,17 12,91	0,02127 0,02620 0,03319	18,891 15,400 12,161	-16,0 -16,0 -20,0	0,9613 0,9613 0,9397	18,169 14,811 11,427	6,742	33,71∙10^-5	28,0∙10^-5
6	500-800	300	0,40373	0,638	378	1 2 3	75,5 78,5 73,5	14 12 9	5,39 6,54 8,17	0,01426 0,01730 0,02151	28,372 23,337 18,683	+17,5 +18,5 +20,5	0,9537 0,9488 0,9397	27,001 22,142 17,556	9,445	47,22∙10^-5	42,0∙10^-5
7	800-500	300	0,40373	0,638	378	1 2 3	82,0 77,5 71,0	14 11 8	5,87 7,045 8,87	0,01553 0,01864 0,02347	25,967 21,659 17,202	-15,5 -18,5 -20,5	0,9685 0,9488 0,9397	25,152 20,550 16,167	8,985	44,92∙10^-5	42,0∙10^-5
8	500-600	100	0,6328	1	378	1 2 3	42,0 37,0 29,0	15 13 10	2,80 2,13 2,97	0,007407 0,007521 0,007672	85,430 84,211 82,480	+2,0 +1,5 +1,0	0,9994 0,9997 0,9998	85,431 84,211 82,481	2,95	14,75∙10^-5	14,0∙10^-5
9	500-700	200	0,6328	1	380	1 2	54,0 42,8	19 14	2,84 3,06	0,007479 0,008045	84,610 78,660	+3,5 +3,0	0,9981 0,9986	84,611 78,661	5,95	89,75∙10^-5	28,0∙10^-5

- 382 -

Литература

1. Г.В.Скроцкий, И.С.Клименко. Голография сфокусированных изображений, УФН, т.109, вып.2, 1973.

2. И.С.Клименко, Е.И.Кучерявенко, Е.Г.Матинян. О чувствительности и разрешении в голографической интерферометрии сфокусированных изображений. Оптика и спектроскопия, т.34, вып.2, стр.360-364, 1973.

3. И.С.Клименко, Е.Г.Матинян, Г.В.Скроцкий. О природе квазиосевых реконструкций, формируемых "безопорными" голограммами сфокусированных изображений, ДАН СССР, т.211, вып.3, 1973.

4. Н.Г.Власов. Интерферометры интенсивности в голографии. Материалы 4-ой Всесоюзной школы по голографии. Л., стр.124, 1973.

5, Н.Г.Власов. Интерференционные измерения в диффузно-когерентном излучении на основе голографии интенсивности. Материалы 5-ой Всесоюзной школы по голографии. Л., стр.293,1973.

6. e.archbold, a.e.ennos. displacement measurement from double exposure-laser photographs. optica acta. vol.19, 4, p.253-271, 1972.

7. e.archbold, i.burch, a.ennos. recording ofinplane surface displacement by double-exposure speckle photography. optica acta, vol.12, 883-898, 1970.

8. i.a.leendertz. interferometrie displacement measurement on scattering surfaces utiliring speckle effect. journ. of physics e. scientific, instruments, vol3, 214-218, 1970.