Введение к работе
Актуальность работы. Улучшение качества проектирования деталей
машиностроительных конструкций основано на анализе их напряженно-
деформированного состояния. По измеренным перемещениям точек
поверхности и параметрам объемно-деформированного состояния вычисляются
компоненты тензоров деформации и напряжения, и оценивается степень
надежности работы конструкции. Среди традиционных методов измерения
указанных величин способы классической, топографической и спекл-
интерферометрии обладают высокой чувствительностью, и бесконтактно
исследуют реальный объект. Однако, если форма поверхности криволинейная,
то проявляется принципиальная ограниченность этих методов - невозможно
изучить объект сразу со всех сторон, масштаб изображения и чувствительность
измерения нелинейно изменяются по наблюдаемому полю, не всегда удается определить с достаточной точностью координату интерференционной полосы и ее порядок, найти отдельные компоненты вектора перемещения по оптической разности хода. Объединение локальных результатов в единое целое трудоемко, и не исключает грубой ошибки. Причина в том, что симметрии измерительного устройства и объекта не совпадают, нарушается равноправие исследуемых точек по отношению к средству измерения.
Поэтому актуальна разработка способов панорамной интерферометрии,
устраняющих принципиальное ограничение традиционных методов, а также
исследование новых способов топографической и спекл-интерферометрии для
измерения всех компонент вектора перемещения точек поверхности с
варьируемой чувствительностью, в широком диапазоне, а также деформаций
элементов объема, для широко распространенных в машиностроении объектов
круговой цилиндрической формы. Первые панорамные топографические
* изображения трехмерного объекта получили Тунг Ионг в 1967 г. и Ш. Д.
Какичашвили в 1971 г. Панорамный топографический интерферометр на основе
конического зеркала с углом 90 при вершине для измерения радиального
\J перемещения цилиндрического объекта разработали Л.А. Борыняк и В.А.
Жилкин в 1982 г. Автоматическую систему измерения этой компоненты на основе панорамного спекл-интерферометра создал A. Albertazzi в 1999 г. На начало исследований автора была актуальна разработка панорамных способов измерения осевого и тангенциального перемещений, а также параметров объемно-деформированного состояния объектов круговой цилиндрической формы.
Представленные в диссертации панорамные интерферометры имеют осевую симметрию, используют конические зеркала и коллимированные пучки излучения. Это обеспечивает равноправие точек объекта по отношению к средству измерения — все точки исследуемой поверхности освещаются под одинаковым углом, рассеянные волны преобразуются одинаковым образом. Кардинально упрощается процесс измерения и алгоритмы перехода от пространственной разности фаз к параметрам деформации. По панорамной
двухэкспозиционной голограмме или спеклограмме, создается набор панорамных интерферофамм, отображающих деформированное состояние всей исследуемой поверхности с чувствительностью, постоянной по полю наблюдения или изменяющейся регулярно. Разработанные автором способы панорамной голографической и спекл-интерферометрии, принципы построения интерферометров, методы измерения, алгоритмы перехода от пространственной разности фаз к параметрам деформации превосходят традиционные тем, что:
исследуют сразу всю поверхность тела диаметром (5 '* 100) мм, определяют интегральные характеристики поля перемещений, обнаруживают зоны аномальных перемещений;
измеряют с варьируемой чувствительностью все компоненты вектора перемещения в диапазоне (0,15 - 50) мкм с пороговой чувствительностью до 0,3 мкм на полосу, а также измеряют деформации элементов объема оптически прозрачной стенки цилиндрической оболочки.
Развитие панорамных методов измерения проходило на кафедре общей физики Новосибирского государственного педагогического университета и на кафедре полупроводников и микроэлектроники Новосибирского государственного технического университета с 1986 г. при непосредственном участии автора. Работы по теме диссертации выполнялись в соответствии с техническими заданиями СибНИИА г. Новосибирска (№№ roc. per. 01.88.0024876, 01.89.0036609). Экспериментальные исследования проводились в лаборатории оптики Новосибирского государственного педагогического университета при личном участии автора. Конические зеркала изготовлены в ИА и Э СО РАН и ГУП СНИИОС г. Новосибирска по чертежам и технологиям, разработанным автором.
Цель работы. Научное исследование по обоснованию способов панорамной голографической и спекл-интерферометрии, разработка принципов построения и методов измерения для нового класса измерительных систем -панорамных интерферометров, предназначенных для решения практически значимой задачи — измерения с высоким пространственным разрешением и варьируемой чувствительностью компонент вектора перемещения точек поверхности и характеристик объемно-деформированного состояния тел круговой цилиндрической формы. Создание и апробация действующих макетов интерферометров для решения актуальной и технически важной задачи по измерению деформации деталей реальных конструкций.
Задачи исследований: 1. Разработка способов панорамной голографической и спекл-интерферометрии, обоснование принципов построения интерферометров, и методов измерения:
— создание панорамной двухэкспозиционной голофаммы с широким
диапазоном углов наблюдения; получение на ее основе набора панорамных
интерферофамм с целью определения всех компонент вектора перемещения с
одинаковой по всей поверхности объекта пороговой чувствительностью
у = (0,3 -г-1,0) мкм/полосу;
- получение панорамной двухэкспозиционной спеклограммы и спекл-
интерферограмм поверхности объекта для измерения осевых и тангенциальных
перемещений;
- получение панорамных спекл-интерферограмм с референтной волной;
- получение панорамных интерферограмм на интерферометре,
выполняющем преобразование Фурье-Френеля.
2. Развитие методов расшифровки панорамных интерферограмм:
определение порядков интерференционных полос и получение соотношений между пространственной разностью фаз на интерферограмме и компонентами вектора перемещения;
определение чувствительностей измерения для интерферометра, выполняющего преобразование Фурье-Френеля; .
установление прямых и обратных преобразований, связывающих координаты точки объекта и ее изображения на интерферограмме.
3. Разработка способов реализации интерференционной оптической
томографии объемно-деформированного состояния панорамными методами:
- получение и анализ интегральных проекций в виде интерферограмм,
восстановление функции локальных вариаций показателя преломления и
радиальной деформации стенки цилиндрической оболочки.
-
Исследование чувствительностей, диапазонов измерений, погрешностей интерферометров, поиск способов их улучшения путем оптимизации рабочих параметров.
-
Создание действующих макетов интерферометров, их апробация при исследовании практически значимых задач экспериментальной механики. Установление области применения интерферометров.
Методы исследования. Использование методов волновой и геометрической оптики, прикладной математики, интегральных преобразований, физический эксперимент и компьютерная обработка данных.
Научная новизна: 1. Проведены научные исследования по обоснованию способов панорамной голографической интерферометрии, устраняющих принципиальную ограниченность традиционных методов при изучении объектов криволинейной формы. Разработаны принципы построения, найдены технические решения, разработаны методы измерения, созданы действующие макеты интерферометров:
с плоской голограммой и произвольным углом конического зеркала,
с цилиндрической голограммой,
на основе системы линз, выполняющих преобразование Фурье-Френеля.
Интерферометры измеряют все компоненты вектора перемещения точек поверхности, на основе интерферометра с цилиндрической голограммой разработан панорамный томограф для исследования объемно-деформированного состояния цилиндрических оболочек. Развиты методы получения панорамных интерферограмм с постоянной чувствительностью к осевому, тангенциальному и радиальному перемещениям по всей поверхности
объекта, что позволяет обнаруживать зоны аномальных перемещений по виду . интерферограммы. Предложен метод определения абсолютных порядков интерференционных полос. Получены соотношения, связывающие порядок полосы с компонентами вектора перемещения. Установлены соотношения между координатами точек объекта и его изображения на интерферограмме.
-
Впервые установлены соотношения, связывающие геометрические параметры объекта и его изображения, полученного после разворачивания голограммы цилиндрической формы в плоскость.
-
Проведены научные исследования по обоснованию новых способов панорамной спекл-интерферометрии, измеряющих полный вектор перемещения. Разработаны принципы построения, найдены технические решения, разработаны методы измерения:
путем локальных просвечиваний получаемой панорамной спеклограммы измеряются осевые и тангенциальные перемещения,
путем создания панорамной интерферограммы измеряются осевые перемещения по всей поверхности,
минуя этап получения спеклограммы, интерферометром с референтной волной измеряются радиальные и осевые перемещения по всей поверхности,
интерферометром, выполняющим преобразование Фурье-Френеля, измеряются перемещение в плоскости и наклон элементов исследуемой поверхности.
Созданы действующие макеты интерферометров, образующие панорамную спеклограмму, и панорамную интерферограмму.
4. Впервые развиты двухмерные и трехмерные томографические методы и
предложен панорамный интерферометр для измерения радиальной деформации
элементов объема оптически прозрачной стенки цилиндрической оболочки.
Получены оценки качества восстановленного изображения.
5. Показана эффективность применения разработанных интерферометров
при исследовании деформированного состояния реальных конструкций.
Найдены чувствительности, диапазоны и погрешности измерений, определены
значения приборных параметров, минимизирующие погрешности, в частности:
для топографического интерферометра угол конического зеркала составляет 8 = (45 * 60), угол наблюдения - а = (30 + в);
диапазон измеряемых перемещений составляет (0,15 + 120) мкм, пороговая чувствительность - (0,3 -ь 13) мкм на полосу. При использовании преобразования Фурье-Френеля измеряются перемещения от 0,15 мкм до 3 мм, углы наклона от 0,3" до 10'.
Достоверность результатов основана на: ' - корректном использовании математического аппарата;
сравнении экспериментальных исследований симметричных задач с теоретическими решениями, выполненными на основе теории упругости;
исследовании одних и тех же образцов разными панорамными методами;
- сравнении с локальными измерениями, выполненными методами
электротензометрии, спекл-интерферометрии, голографического муара и
изопахик.
Разработанные топографические интерферометры прошли апробацию при исследовании лабораторных образцов и ответственных деталей технических конструкций, подвергаемых разнообразным видам механических нагрузок. Панорамный спекл-интерферометр прошел проверку при исследовании лабораторных образцов.
Практическая ценность работы и реализация её результатов:
Радикально сокращены затраты труда на процесс измерения благодаря фиксации первичной информации на одной фотопластинке.
Обнаруживаются зоны аномальных перемещений по виду интерферограммы, имеющей постоянную чувствительность по всей поверхности реального цилиндрического тела.
Упрощен процесс определения абсолютных порядков интерференционных полос благодаря их наблюдению на всем протяжении в пределах поверхности тела и прослеживанию их перемещения при непрерывном изменении угла наблюдения.
Исключен процесс обработки фотоматериалов для интерферометра с референтной волной, создающего интерферограмму без использования голограммы или спеклограммы.
Созданы действующие макеты интерферометров.
Решены задачи по исследованию деформаций реальных конструкций -сварных трубопроводов под давлением, оболочки ТВЭЛа под влиянием пружинного фиксатора. Результаты исследований уникальны потому, что традиционными методами не удается получить полную картину деформированного состояния.
- Решение практически важных задач исследования деталей ответственных
конструкций подтверждено отчетами по НИР для СибНИИА им. С.А.
Чаплыгина (регистрационные номера: 01.88.0024876; 01.89.0036609), актом
внедрения от Федерального государственного унитарного предприятия
"Сибирский научно-исследовательский институт авиации им. С.А. Чаплыгина",
актом внедрения от Сибирского государственного университета путей
сообщения, актом внедрения от Новосибирского государственного
педагогического университета, актом внедрения от Новосибирского
государственного технического университета, патентом на изобретение N»
2255308 "Способ голографической интерферометрии плоского объекта",
патентом на изобретение № 2258201 "Способ спекл-интерферометрии плоского
объекта".
Защищаемые положения. На защиту выносятся способы панорамной голографической и спекл-интерферометрии, предназначенные для исследования деформированного состояния объектов цилиндрической формы, методы получения и количественного анализа панорамных интерферограмм:
1) Панорамный интерферометр с плоской голограммой и коническими
зеркалами обеспечивает постоянную чувствительность измерения радиального
и осевого перемещений;
2) Преобразование Фурье—Френеля существенно расширяет диапазон
измерения панорамного голографического интерферометра за счет параметров
двух линз;
3) Панорамный спекл-интерферометр обеспечивает измерение
тангенциального перемещения, и существенно больший диапазон осевого
перемещения, чем голографический интерферометр;
4) Интерферометр с разворачиваемой в плоскость цилиндрической
голограммой восстанавливает сфокусированное изображение при малом
расстоянии объекта от фотоэмульсии и ограниченном угле наблюдения.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: XI Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ленинград, 1991), Международной конференции "Photomechanics'95" (Новосибирск, 1995), Международной конференции "Optical Holography and its Applications" (Киев, 1997), научно-технической конференции "Проблемы железнодорожного транспорта и транспортного строительства Сибири" (Новосибирск, 1997), Международном симпозиуме "Advanced Optical Methods and Applications in Solids Mechanics" (Poitiers, France, 1998), Международном симпозиуме "Metrology for Quality Control in Production" (Vienna, Austria, 1998), региональной научно-практической конференции "Транссиб-99" (Новосибирск, 1999), Международном, конгрессе "XVI IMEKO World Congress" {Vienna, Austria, 2000), Международном симпозиуме "The 7* Korea-Russia Intern. Symposium on Science and Technology" (Korea, Ulsan, 2003), VII Международной конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (Новосибирск, 2004). Личный вклад автора:
научные исследования по обоснованию способов панорамной голографической и спекл-интерферометрии, разработка принципов построения интерферометров и методов измерения,
технические решения при разработке средств измерения и элементов экспериментальных установок, создание действующих макетов интерферометров,
получение экспериментальных результатов при исследовании моделей в виде цилиндрических оболочек, выполненных из органического стекла. Проведение экспериментов с реальными конструктивными элементами выполнены сотрудниками лабораторий оптики КПТУ при участии и под руководством автора,
- исследование чувствительности, диапазона измерений, погрешности интерферометров, оптимизация приборных параметров.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 33 работы: 2 научных монографии (одна, написанная без соавторов, имеет объем 178 стр.); 23 статьи в научных журналах и сборниках научных трудов; 4 тезиса докладов; 2 патента на изобретения. В изданиях, рекомендованных ВАКом, опубликовано 11 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Общий объем диссертации 274 страницы, в том числе 92 иллюстрации и список использованных литературных источников, включающий 248 наименований.
