Компьютерная голографическая интерферометрия
ART 53210
Авторы:
Е.
М. Бородин, В.
Ю. Зайцев
Е.
М. Бородин, В.
Ю. Зайцев Библиографическое описание статьи для цитирования:
Бородин
Е.
М.,
Зайцев
В.
Ю. Компьютерная голографическая интерферометрия // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2013. – Т. 3. – С.
1036–1040. – URL:
http://e-koncept.ru/2013/53210.htm.
Аннотация. В статье представлен метод экспериментальной механики с использованием телевизионной компьютерной интерферометрии.
Ключевые слова:
спекл-интерферометрия, напряженно деформированное состояние, голография, пзс матрица
Текст статьи
1Бородин Евгений Михайловичассистент ФГБОУ ВПО "Пензенская государственная технологическая академия", ПГТАborodin_bor@mail.ru
Зайцев Владимир Юрьевичзав.кафедры ФГБОУ ВПО "Пензенская государственная технологическая академия", ПГТА
КОМПЬЮТЕРНАЯ ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ
АннотацияВ статье представлен методэкспериментальной механики с использованием телевизионной компьютерной интерферометрии.
Ключевые словаСпеклинтерферометрия, напряженно деформированноесостояние, голография, ПЗС матрица.
Глубокий интерес специалистов в области экспериментальной механике к полевым методам анализа напряженно деформированного состояния (НДС) конструкций известен давно, однако только в последнее время, с появлением новых оптических, голографических методов анализа полей перемещения и деформаций поверхностей конструкций в пространстве, т.е. по отдельным пространственным компонентам, открывается возможность анализа реальной работы конструкции не только при лабораторных и промышленных испытаний их, но и в эксплуатации, в реальном масштабе времени. Это естественно, поскольку результаты экспериментов всегда служили и служат основой при создании новых инженерных методов расчета деталей, узлов и элементов конструкций, а также при создании новых теорий прочности, разрушения и в целом прикладной механике. Более того, с возрастанием сложности конструкций, со стремлением к их максимальной мощности, высокопрочности, надежности и качеству при минимальной материалоемкости и весе конструкций, экспериментальным исследованиям придается все большее значение. В последнее время возникла проблема анализа работоспособности различных конструкций и сооружений, их надежности, остаточного ресурса и живучести в связи с преобразованиями в промышленности и экономике, вынуждающими использовать различные здания, сооружения и изделия с истекшим ресурсом эксплуатации и отсутствием средств для замены агрегатов и изделий. Возникла проблема оценки ремонтопригодности зданий и сооружений. Правильная постановкаизмерительного эксперимента требует, прежде всего, четко сформулированной цели, корректности задачи. Затем необходимо определение круга параметров, измерение которых приводит к достижению поставленной цели. При этом требуется выявление не только самих измеряемых величин, но и диапазонов их измерений, чувствительности, минимальных значений, допустимых погрешностей измерения, динамических характеристик, необходимого пространственного разрешения и т.п. Все это позволяет обосновать требования к методам измерений, их метрологическим характеристикам и определить возможность использования того или иного метода для решения поставленной задачи.
2Методы экспериментальной механики применяются как при испытании материалов, так и при испытании элементов конструкции, отдельных деталей и узлов при их конструктивной доводке. Имеется необходимость использования методов экспериментальной механики при испытании конструкций в сборке, а также полноразмерных натурных объектов в процессе промышленных, как статических, так и динамических испытаний. Кроме того, имеется необходимость использования методов экспериментальной механики в процессе эксплуатации конструкций и объектов при определении их ресурса и остаточной прочности. Использование методов экспериментальной механики полезно не только при решении научных и прочностных технических задач, они полезны как ресурсосберегающий фактор и фактор определяющий жизнеспособность объектов, тем самым сохраняющий жизнь и безопасность многих людей, находящихся вблизи объектов. В каждой отрасли промышленности обычно имеются стандартизованные виды испытаний материалов и изделий. При испытании конструкций на прочность исследуется прочность изделия в целом, а также прочность отдельных узлов, элементов и т. п. Такие испытания имеют целью с одной стороны проверку точности проведенных расчетов, а с другой проверку правильности выбранных технологических процессов изготовления узлов и ведения сборки, поскольку при недостаточно правильных технологических приемах и операциях, возможно местное ослаблениеконструкции, приводящее к ее разрушению, либо выходу из строя в эксплуатации. Наиболее широко развито испытание конструкций в таких отраслях техники как самолетостроение, ракетостроение, кораблестроение, атомной и оборонной промышленности, где в силу необходимой экономии веса, надежности работы конструкции вопросы прочности являются наиболее ответственными. Существующие в настоящее время способы экспериментального исследования напряженнодеформированного состояния (НДС) конструкции сводятся, так или иначе, к прямому измерению деформаций, возникающих в испытываемом изделии, либо в образце. Напряжения определяются косвенно, через деформацию на основе линейного закона Гука. В случае пластических деформаций определение напряжений при испытании обычно не производится вследствие отсутствия надежных теорий пластичности и определяется только разрушающая нагрузка или то значение силы, нагрузки, при которой наблюдаются признаки появления пластических остаточных деформаций, что часто происходит уже при упругой работе материала. В экспериментальной механике для измерения деформаций применяются несколько различных методов, из которых можно назвать тензометрию, с помощью механических и электрических датчиков, акустические, в частности ультразвуковые, рентгенографические, метод лаковых покрытий и др. Появилась возможность изучения и измерения НДС при динамических воздействиях на конструкцию и материалы при наличии остаточных и пластических деформаций.
В настоящее время развит целый ряд методик на базе метода спеклинтерферометрии (СИ)для измерения разнообразных пространственных смещений с деформаций, а так же вибраций и шероховатости поверхности[1].А корреляционные методы расширяют диапазон измерений в сторону малых изменений поверхности объекта. Следует заметить, что развитые методы классической голографии(ГИ): метод реального времени, двойной и многократной экспозиции, виброметрии и другие с успехом применяются в СИ. В свою очередь развитый в СИ метод оптической фильтрации существенно дополняет и расширяет возможности 3расшифровки классических голографических изображений двойной экспозиции. Успешное сочетание методов СИ и классической ГИ, подтверждающее общность физического механизма классической голографии и оптики спеклов позволяют существенно повысить информативность ГИ и более конкретно говорить о связи голографии и оптики спеклов. Роль спеклов в ГИ гораздо важнее и сложнее, чем это следует из сложившихся представлений.Голография сфокусированного изображения
это разновидность метода восстановления волнового фронта, предусматривающего регистрацию корреляционного спеклполя в области наложения когерентной опорной волны на спеклизображения предмета, сфокусированного обычной оптической системой. Эти положения важны при рассмотрении так называемой электронной спеклинтерферометрии (ЭСИ), так как изза низкой разрешающей возможности регистрирующей ПЗС матрицы регистрируется ограниченное количество пикселей. Однако, в каждом пикселе в следствие таутохронизма изображающей системы имеется голографическая запись объектной волны, позволяющая проводить оптическую фильтрацию записываемых пространственных частот объектного спектра волн по изображению поверхности наблюдаемого объекта. Поэтому, помимо важности точной оцифровки интенсивностей пикселей, имеющей большой динамический диапазон, важна запись точной оцифровки, так называемых «уровней серости»,или градиентов интенсивностей смежных пикселей, содержащих информацию о пространственных частотах объектной волны по изображению.
В последнее время интенсивно разрабатываютсяметоды экспериментальной механики с использованием телевизионной компьютерной интерферометрии. Примером могутслужить работы Калининградского государственного университета [2], которые совместно с американской фирмой «Nationalinstruments» разрабатывают компьютерные системы управления голографическим комплексом. В середине 80х годов подобные работы были выполнены в Норвегии [3].
Ниже приведен вспомогательный блок синхронизации, которыйобеспечивает синхронизацию амплитудной и фазовой модуляции для телевизионной камеры, которая регистрирует интерферограммы в реальном времени (рис.1).
Рис 1. Диаграмма потоков и взаимодействия систем формирования и регистрации картин поля при электронной спеклинтерферометрии (ESPI)
4
В настоящеевремя, всвязи с развитием и внедрением новейших информационных технологий стало возможно созданиесистем регистрации картин поля на основе персонального компьютера с установленным оборудованием сбора и обработки данных (DataAcquisitionHardware)(рис 2).Средством регистрации могут выступать телевизионные камеры с унифицированным выходом (аналоговый, цифровой выход).
Рис 2. Плата захватаизображений с аналоговых камер NIPCI1410Сигнал синхронизации может быть сформированс помощью платы аналогового вывода (ADLINKPCI6803) либо платы с цифровым частотным выходом (ADVANTECHPCI1715).Координацию работы аппаратного обеспечения с объектомуправления (системы формирования картины поля) способны обеспечить современные системы промышленной математики, такие как LabVIEWи MATLAB, с установленными модулями DataAcquisition, RealTimeEmbeddedTarget, а также модуля RADпроектирования моделей смешанного характера SIMULINK.Таким образом, предложенный способ телевизионнойкомпьютернойголографической интерферометрии может быть осуществлен на базе оборудования сбора и обработки данных и систем регистрации картин поля а также программного обеспечении, реализующего логику стабилизации, фильтрации и выделения информативной составляющей.
Ссылки на источники1.Волков И. В., Домкин К. И., Першенков П.П. Приложения голографической и спекл интерферометрии в экспериментальной механике. Новые промышленные технологии. Минатом России.№3, 2006, с.4452.2.Гуревич В.С., Гусев М.Е., и др. Стробоголографические методы исследования деформированного состояния вращающихся объектов// В кн.: «Применение методов и средств голографии», Ленинград, 1989, с. 4864.3.Lokberg O.J., Slettemoen G.A. Basic electronic speckle pattern interferometry. Applied optics and optical engineering, vol. 10, 1987, c.455504.
Borodin Evgeniy Zaitsev Vladimir COMPUTER HOLOGRAPHIC INTERFEROMETRYAbstractThe article presents the method of experimental mechanics using the TVcomputer interferometry.KeywordsSpeckleinterferometry, tensely deformed condition, holography,CCDmatrix
Зайцев Владимир Юрьевичзав.кафедры ФГБОУ ВПО "Пензенская государственная технологическая академия", ПГТА
КОМПЬЮТЕРНАЯ ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ
АннотацияВ статье представлен методэкспериментальной механики с использованием телевизионной компьютерной интерферометрии.
Ключевые словаСпеклинтерферометрия, напряженно деформированноесостояние, голография, ПЗС матрица.
Глубокий интерес специалистов в области экспериментальной механике к полевым методам анализа напряженно деформированного состояния (НДС) конструкций известен давно, однако только в последнее время, с появлением новых оптических, голографических методов анализа полей перемещения и деформаций поверхностей конструкций в пространстве, т.е. по отдельным пространственным компонентам, открывается возможность анализа реальной работы конструкции не только при лабораторных и промышленных испытаний их, но и в эксплуатации, в реальном масштабе времени. Это естественно, поскольку результаты экспериментов всегда служили и служат основой при создании новых инженерных методов расчета деталей, узлов и элементов конструкций, а также при создании новых теорий прочности, разрушения и в целом прикладной механике. Более того, с возрастанием сложности конструкций, со стремлением к их максимальной мощности, высокопрочности, надежности и качеству при минимальной материалоемкости и весе конструкций, экспериментальным исследованиям придается все большее значение. В последнее время возникла проблема анализа работоспособности различных конструкций и сооружений, их надежности, остаточного ресурса и живучести в связи с преобразованиями в промышленности и экономике, вынуждающими использовать различные здания, сооружения и изделия с истекшим ресурсом эксплуатации и отсутствием средств для замены агрегатов и изделий. Возникла проблема оценки ремонтопригодности зданий и сооружений. Правильная постановкаизмерительного эксперимента требует, прежде всего, четко сформулированной цели, корректности задачи. Затем необходимо определение круга параметров, измерение которых приводит к достижению поставленной цели. При этом требуется выявление не только самих измеряемых величин, но и диапазонов их измерений, чувствительности, минимальных значений, допустимых погрешностей измерения, динамических характеристик, необходимого пространственного разрешения и т.п. Все это позволяет обосновать требования к методам измерений, их метрологическим характеристикам и определить возможность использования того или иного метода для решения поставленной задачи.
2Методы экспериментальной механики применяются как при испытании материалов, так и при испытании элементов конструкции, отдельных деталей и узлов при их конструктивной доводке. Имеется необходимость использования методов экспериментальной механики при испытании конструкций в сборке, а также полноразмерных натурных объектов в процессе промышленных, как статических, так и динамических испытаний. Кроме того, имеется необходимость использования методов экспериментальной механики в процессе эксплуатации конструкций и объектов при определении их ресурса и остаточной прочности. Использование методов экспериментальной механики полезно не только при решении научных и прочностных технических задач, они полезны как ресурсосберегающий фактор и фактор определяющий жизнеспособность объектов, тем самым сохраняющий жизнь и безопасность многих людей, находящихся вблизи объектов. В каждой отрасли промышленности обычно имеются стандартизованные виды испытаний материалов и изделий. При испытании конструкций на прочность исследуется прочность изделия в целом, а также прочность отдельных узлов, элементов и т. п. Такие испытания имеют целью с одной стороны проверку точности проведенных расчетов, а с другой проверку правильности выбранных технологических процессов изготовления узлов и ведения сборки, поскольку при недостаточно правильных технологических приемах и операциях, возможно местное ослаблениеконструкции, приводящее к ее разрушению, либо выходу из строя в эксплуатации. Наиболее широко развито испытание конструкций в таких отраслях техники как самолетостроение, ракетостроение, кораблестроение, атомной и оборонной промышленности, где в силу необходимой экономии веса, надежности работы конструкции вопросы прочности являются наиболее ответственными. Существующие в настоящее время способы экспериментального исследования напряженнодеформированного состояния (НДС) конструкции сводятся, так или иначе, к прямому измерению деформаций, возникающих в испытываемом изделии, либо в образце. Напряжения определяются косвенно, через деформацию на основе линейного закона Гука. В случае пластических деформаций определение напряжений при испытании обычно не производится вследствие отсутствия надежных теорий пластичности и определяется только разрушающая нагрузка или то значение силы, нагрузки, при которой наблюдаются признаки появления пластических остаточных деформаций, что часто происходит уже при упругой работе материала. В экспериментальной механике для измерения деформаций применяются несколько различных методов, из которых можно назвать тензометрию, с помощью механических и электрических датчиков, акустические, в частности ультразвуковые, рентгенографические, метод лаковых покрытий и др. Появилась возможность изучения и измерения НДС при динамических воздействиях на конструкцию и материалы при наличии остаточных и пластических деформаций.
В настоящее время развит целый ряд методик на базе метода спеклинтерферометрии (СИ)для измерения разнообразных пространственных смещений с деформаций, а так же вибраций и шероховатости поверхности[1].А корреляционные методы расширяют диапазон измерений в сторону малых изменений поверхности объекта. Следует заметить, что развитые методы классической голографии(ГИ): метод реального времени, двойной и многократной экспозиции, виброметрии и другие с успехом применяются в СИ. В свою очередь развитый в СИ метод оптической фильтрации существенно дополняет и расширяет возможности 3расшифровки классических голографических изображений двойной экспозиции. Успешное сочетание методов СИ и классической ГИ, подтверждающее общность физического механизма классической голографии и оптики спеклов позволяют существенно повысить информативность ГИ и более конкретно говорить о связи голографии и оптики спеклов. Роль спеклов в ГИ гораздо важнее и сложнее, чем это следует из сложившихся представлений.Голография сфокусированного изображения
это разновидность метода восстановления волнового фронта, предусматривающего регистрацию корреляционного спеклполя в области наложения когерентной опорной волны на спеклизображения предмета, сфокусированного обычной оптической системой. Эти положения важны при рассмотрении так называемой электронной спеклинтерферометрии (ЭСИ), так как изза низкой разрешающей возможности регистрирующей ПЗС матрицы регистрируется ограниченное количество пикселей. Однако, в каждом пикселе в следствие таутохронизма изображающей системы имеется голографическая запись объектной волны, позволяющая проводить оптическую фильтрацию записываемых пространственных частот объектного спектра волн по изображению поверхности наблюдаемого объекта. Поэтому, помимо важности точной оцифровки интенсивностей пикселей, имеющей большой динамический диапазон, важна запись точной оцифровки, так называемых «уровней серости»,или градиентов интенсивностей смежных пикселей, содержащих информацию о пространственных частотах объектной волны по изображению.
В последнее время интенсивно разрабатываютсяметоды экспериментальной механики с использованием телевизионной компьютерной интерферометрии. Примером могутслужить работы Калининградского государственного университета [2], которые совместно с американской фирмой «Nationalinstruments» разрабатывают компьютерные системы управления голографическим комплексом. В середине 80х годов подобные работы были выполнены в Норвегии [3].
Ниже приведен вспомогательный блок синхронизации, которыйобеспечивает синхронизацию амплитудной и фазовой модуляции для телевизионной камеры, которая регистрирует интерферограммы в реальном времени (рис.1).
Рис 1. Диаграмма потоков и взаимодействия систем формирования и регистрации картин поля при электронной спеклинтерферометрии (ESPI)
4
В настоящеевремя, всвязи с развитием и внедрением новейших информационных технологий стало возможно созданиесистем регистрации картин поля на основе персонального компьютера с установленным оборудованием сбора и обработки данных (DataAcquisitionHardware)(рис 2).Средством регистрации могут выступать телевизионные камеры с унифицированным выходом (аналоговый, цифровой выход).
Рис 2. Плата захватаизображений с аналоговых камер NIPCI1410Сигнал синхронизации может быть сформированс помощью платы аналогового вывода (ADLINKPCI6803) либо платы с цифровым частотным выходом (ADVANTECHPCI1715).Координацию работы аппаратного обеспечения с объектомуправления (системы формирования картины поля) способны обеспечить современные системы промышленной математики, такие как LabVIEWи MATLAB, с установленными модулями DataAcquisition, RealTimeEmbeddedTarget, а также модуля RADпроектирования моделей смешанного характера SIMULINK.Таким образом, предложенный способ телевизионнойкомпьютернойголографической интерферометрии может быть осуществлен на базе оборудования сбора и обработки данных и систем регистрации картин поля а также программного обеспечении, реализующего логику стабилизации, фильтрации и выделения информативной составляющей.
Ссылки на источники1.Волков И. В., Домкин К. И., Першенков П.П. Приложения голографической и спекл интерферометрии в экспериментальной механике. Новые промышленные технологии. Минатом России.№3, 2006, с.4452.2.Гуревич В.С., Гусев М.Е., и др. Стробоголографические методы исследования деформированного состояния вращающихся объектов// В кн.: «Применение методов и средств голографии», Ленинград, 1989, с. 4864.3.Lokberg O.J., Slettemoen G.A. Basic electronic speckle pattern interferometry. Applied optics and optical engineering, vol. 10, 1987, c.455504.
Borodin Evgeniy Zaitsev Vladimir COMPUTER HOLOGRAPHIC INTERFEROMETRYAbstractThe article presents the method of experimental mechanics using the TVcomputer interferometry.KeywordsSpeckleinterferometry, tensely deformed condition, holography,CCDmatrix
