Высокоточные оптические средства измерений и их применение в составе мобильных диагностических комплексов
Международная
публикация
И.
П. МирошниченкоБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Мирошниченко
И.
П. Высокоточные оптические средства измерений и их применение в составе мобильных диагностических комплексов // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2014. – Т. 20. – С.
4616–4620. – URL:
http://e-koncept.ru/2014/55188.htm.
Аннотация. Статья посвящена результатам разработки перспективных бесконтактных средств измерений перемещений поверхностей объектов контроля на основе современных лазерных технологий и методов оптической интерферометрии для регистрации информации при контроле качества и диагностике состояния конструкционных материалов и силовых элементов изделий акустическими неразрушающими методами контроля, а также описаны новые технические решения, позволяющие применить полученные результаты для решения практических задач диагностики состояния изделий, находящихся в эксплуатации, в составе мобильных диагностических комплексов.
Ключевые слова:
лазерный интерферометр, измерение перемещений, объект контроля, диагностика состояния
Текст статьи
Мирошниченко Игорь Павлович,кандидат техническихнаук, доцент,заведующий кафедрой «Основы конструирования машин», ФГБОУ ВПО «Донскойгосударственный техническийуниверситет»,г.РостовнаДонуipmir@rambler.ru
Высокоточные оптические средства измерений и их применениев составе мобильных диагностических комплексов
Аннотация.Статья посвящена результатам разработки перспективных бесконтактных средств измерений перемещений поверхностей объектов контроля на основе современных лазерных технологий и методов оптической интерферометрии для регистрации информации при контроле качества и диагностике состояния конструкционных материалов и силовых элементов изделий акустическими неразрушающими методами контроля, а также описаны новые технические решения, позволяющие применить полученные результаты для решения практических задач диагностики состояния изделий, находящихся в эксплуатации, в составе мобильных диагностических комплексов.Ключевые слова: лазерный интерферометр, измерение перемещений, объект контроля, диагностика состояния.
В настоящее время интенсивное развитие приборостроения, станкостроения, машиностроения, появление новых видов конструкционных материалов и их повсеместное использование в различных областях техники приводят к необходимости разработкии внедренияперспективныхвысокоточных измерительных методов, средств и технологий для решении актуальныхнаучных и прикладных задачконтроля качества и диагностики состояния конструкционных материалов и силовых элементов изделий, находящихся в эксплуатации.Актуальным и востребованнымв этом случае является созданиевысокоточных бесконтактных средств измеренийперемещений поверхностей объектов контроля на основесовременных лазерных технологий и методов оптической интерферометриидля регистрации информации при контроле качества и диагностике состояния конструкционных материалов и силовых элементов изделий акустическими неразрушающими методами контроля, что позволяет существенно повысить точность, качествои информативность результатов измерений.Основными направлениями создания и совершенствования самих оптических интерференционных средств измерений перемещенийдля решения отмеченных задач являются разработка новых оптических схеминовых технологий для регистрации и обработки информации с интерференционных картин, расширение их функциональных возможностей, обеспечениенепрерывногоучетавнешнихвлияющих факторов с одновременным проведением коррекции и внесением поправок в результаты измерений в реальном масштабе времени.Одним из наиболее предпочтительныхдля решения перечисленных задач с точки зрения особенностей конструктивнокомпоновочной схемы и функциональных характеристик является оптическое интерференционноеустройство для измерениямалых линейных перемещений поверхностей объектов контроля, предложенное в[1]ипостроенноена основе двухходового лазерного интерферометра с совмещенными ветвями[23].Схема устройства [1] представлена нарис. 1. Устройствосодержит оптически связанные и последовательно размещенные источник 1 когерентного оптического излучения(газовый или полупроводниковый лазер), оптическую систему 2, светоделитель 3, отражатель 4, закрепленный на поверхности 5 объекта контроля 6, и экран 7 с установленным на нем фотоприемным устройством (ФПУ) 8. При этом светоделитель 3 и отражатель 4 расположены друг относительно друга под углом α, а полученная при совмещении опорного и объектного пучков интерференционная картина 9, представляющаясобойсовокупностьколец10различнойинтенсивности,проецируетсяна экран 7. ФПУ8 выполнено в виде прямоугольной матрицы фотоприемников 11 и установлено в плоскости экрана 7 радиально кольцам 10 интерференционной картины 9 на интервале от края 12 интерференционной картины 9, противоположного вершине угла α между светоделителем 3 и отражателем 4, до центра интерференционной картины 9. ФПУ8 соединено с системой регистрации, обработкии отображения результатов измерений.
Рис. 1
Устройство [1] работает следующим образом.Излучение источника 1 после прохождения оптической системы 2 преобразуется в расходящийся пучок и попадает на светоделитель 3, где происходит его разделение: одна часть отражается от поверхности светоделителя 3 (опорный пучок), а вторая часть от отражателя 4 (объектный пучок), закрепленного на поверхности5 объекта контроля 6.Полученная при совмещении опорного и объектного пучков интерференционная картина 9, представляющая собой совокупность колец 10 различной интенсивности, проецируется на экран 7 с установленным на нем ФПУ8.Изменение интенсивности колец интерференционной картины от минимального до максимального значения происходит при перемещении поверхности объекта контроля на величину /4, где
длина волны оптического излучения (например, для излучения гелийнеонового газового лазера, красного цвета, =0,63 мкм).ФПУ8 при линейном перемещении поверхности 5 объекта контроля 6 производит измерение интенсивности оптического поля в области интерференционной картины, обладающей максимальными информационными и др.характеристиками (высокимиконтрастностью, динамическим диапазоном и т.д.).Результаты измерений интенсивности оптического поля интерференционной картины,однозначно связанныес линейным перемещением поверхности 5 объекта контроля 6, от ФПУ8 передаются далее для регистрации, обработкии отображения результатов измерений.Возможными вариантами регистрации интенсивности в этом случае могут быть регистрация суммарной интенсивности оптического поля по поверхности ФПУ8, регистрация интенсивности оптического поля в кольце одного порядка, в кольцах первого и второго порядкаи т.д., т.е.устройство [1] обеспечивает реализацию практически всех известных вариантоврегистрации информации с интерференционных картин.Результаты экспериментального исследования функциональных характеристик устройства [1], проведенного с использованием опытного образца, показали повышение качества результатов измерений до 20% по сравнению с аналогичными устройствами [2,3].Функциональные возможности устройства [1]могут быть расширены за счет обеспечения одновременного измерения как малых линейных,так и малых угловыхперемещений поверхностей объектов контроля, что наиболее важно при решении практических задач, где только линейные перемещений встречаются довольно редко.Схема одного из вариантов оптического интерференционного устройства для измерения малых линейных и угловых перемещений, реализующего новыйспособизмерений, предложенный в[4], представлена на рис. 2.Данное устройство содержит источник 1 когерентного оптического излучения, оптическую систему 2, преобразующую излучение источника в расходящийся пучок,светоделитель 3, представляющий собой синусоидальную дифракционную решетку, отражатель 4, жестко закрепленный на поверхности 5 объекта контроля, экран 6, в плоскости которого установлены с возможностью регулировки положения ФПУ7, разделенные на две группы 8 и 9, каждая из которых размещена в соответствующих областяхмаксимумов 1 порядка 10 и +1 порядка 11.ФПУ7 соединены с системой регистрации, обработки и отображения результатов измерений. Отражатель 4 удален от внутренней поверхности светоделителя 3 на расстояние h. Отражатель 4 и светоделитель 3 расположены друг к другу под углом α. Возможным может быть также случай, когдаотражатель 4 отсутствует, аего функции непосредственно выполняет сама отражающая поверхность 5 объекта контроля. Максимумы 1 порядка 10 и +1 порядка 11 интерференционной картины проецируются на экран 6.В процессе проведения испытаний при возникновении линейной Δ h и (или) угловойΔα составляющих малого перемещения поверхности 5 объекта контроля происходит изменение интенсивности оптического поля в максимумах 1 порядка 10 и +1 порядка 11 интерференционной картины, в том числе и в соответствующих их областях по месту установки выделенных групп 8 и 9 ФПУ 7, которыерегистрируют интенсивность оптического поля, при этом результатами измерений являются значения интенсивностей, полученные от каждой из групп 8 и 9 ФПУ7.
Рис. 2
Возможным вариантом обработки является, например, решение системы трансцендентных уравнений вида:
I1(Δh, Δα)=J1;
I2(Δh, Δα)=J2,
где I1(Δh, Δα), I2(Δh, Δα) известные зависимости соответственно для максимумов 1 порядка 10 и +1 порядка 11, связывающие интенсивности соответственно с линейной Δh и угловой Δα составляющих перемещения поверхности 5 объекта контроля; J1, J2
значения интенсивности,измеренныекаждойизгрупп 8 и 9 фотоприемников 7, установленных в соответствующих областях максимумов 1 порядка 10 и +1 порядка 11.Результатом обработки являются значения линейной Δh и значение угловой Δα составляющих перемещения поверхности 5 объекта контроля, одновременно удовлетворяющие обоим значениям интенсивности J1и J2.Результаты экспериментального исследования функциональных характеристик опытного образца описанного устройства подтвердили достижение поставленной цели разработки.Описанные выше устройства[1,4]предназначены для использования в лабораторных условиях и неприменимы для решения практических задач в составе мобильных диагностических комплексов изза высокой трудоемкости подготовки к проведению измерений и снижения точности результатов при проведении измерений в «полевых» условиях. Высокая трудоемкость подготовки к проведению измерений обусловлена тем, что перед началом проведения измерений, производятся индивидуально установка и настройка каждого из оптических элементов для получения интерференционной картины в области регистрации информации, а снижение точности результатов обусловлено влиянием внешних источников оптического излучения, вносящих искажения в результаты измерений.Для устранения этих недостатков, сдерживающих применение средств измерений [1,4] в составе мобильных диагностических комплексов, разработаноновое техническое решение, защищенное патентомРоссийской Федерации на изобретение[5], схема которогопредставлена на рис. 3.
Рис. 3
Устройство по [5] содержит основание 1, опорную плиту 2 с центральным отверстием 3, скрепленную с основанием 1 при помощи устройства 4 для регулировки и фиксации ее положения, цилиндрический корпус 5, в полости 6 которого размещены источник 7 когерентного оптического излучения и оптическая система 8, ФПУ9, выполненное в виде прямоугольной матрицы фотоприемников с центральным отверстием 10, соосным центральному отверстию 3 плиты 2, конический корпус 11 с фланцами 12 и 13, жестко скрепленными соответственно с большим и малым основаниями конуса, светоделитель 14, жестко закрепленный на фланце 13, отражатель 15,жестко закрепленный на поверхности 16 объекта контроля 17.Плита 2 имеет наружную 18 и внутреннюю 19 поверхности, при этом последняя обращена к поверхности 16 объекта контроля 17. ФПУ9 жестко закреплено на внутренней поверхности 19 плиты 2. Цилиндрический корпус 5 размещен на наружной поверхности 18 плиты 2 соосно отверстию 3 плиты 2 и отверстию 10 устройства 9 при помощи крепежных элементов 20, обеспечивающих регулировку и фиксацию его положения. Конический корпус 11 установлен на внутренней поверхности 19 соосно цилиндрическому корпусу 5, отверстию 3 плиты 2 и отверстию 10 ФПУ9 при помощи крепежных элементов 21, обеспечивающих регулировку и фиксацию его положения. На фланце 13 конического корпуса 11 одним концом жестко закреплена эластичная светонепроницаемая мембрана 22, выполненная в виде кольца, и опирающаяся противоположным концом на поверхность 16 объекта контроля 17.Использование опытного образца устройства [5] показало, что егоконструктивнокомпоновочная схема позволяет сохранить возможности устройств [1,4]и обеспечить применение в «полевых» условиях в составе мобильных диагностических комплексов.С целью обеспечения возможности изменения диапазона измеряемых значения перемещений в процессе проведения измерений разработан унифицированный оптический интерференционный измеритель перемещений поверхностей объектов контроля, предложенный в[6].Сущность измерителя поясняется схемой, представленной на рис. 4.Измерительсодержит оптически связанные и последовательно размещенные источник 1 когерентного оптического излучения, оптическую систему 2, объект контроля 3 с поверхностью 4, общее основание 5, на котором жестко закреплены светоделитель 6, отражатель 7 и ФПУ 8, а также преобразователь 9. Основание 5 снабжено механизмом 10 для его перемещения вдоль оптической оси между поверхностью 4 объекта контроля 3 и внешней поверхностью светоделителя 6. Оптическая система 2 фокусирует излучение на поверхность 4 объекта контроля 3 в виде светящейся точки 11. Светоделитель 6, отражатель 7 и ФПУ 8 жестко закреплены на основании 5 в фиксированных положениях друг относительно друга. Преобразователь 9 электрически связан с ФПУ 8 и предназначен для определения перемещений поверхности 4 объекта контроля 3 по результатам измерения интенсивности оптического поля в заданной области интерференционной картины ФПУ 8, а также для регистрации полученных результатов измерений перемещений.Предлагаемое техническое решение работает следующим образом. Перед началом испытаний объекта контроля 3, а соответственно, и измерений перемещений его поверхности 4, априорно известендиапазон возможных значений перемещений, возникающих при проведении испытаний. И далее, размещают основание 5 с закрепленными на нем светоделителем 6, отражателем 7 и ФПУ 8 при помощи механизма 10 на расстоянии Rмежду поверхностью 4 объекта контроля 3 и внешней поверхностью светоделителя 6, соответствующем данному диапазону изменения перемещений. Это может быть выполнено с использованием зависимости изменения чувствительности Т от расстояния Rмежду поверхностью 4 объекта контроля 3 и внешней поверхностьюсветоделителя 6, полученной экспериментально при метрологическом обслуживании. При увеличении диапазона измеряемых перемещений расстояние Rувеличивают, при уменьшении диапазона измеряемых перемещений расстояние Rуменьшают путем соответствующего изменения положения основания 5.Оптическая система 2 фокусируетизлучение от источника 1 на поверхность 4 объекта контроля 3 в виде светящейся точки 11, которая в свою очередь, является точечным источником излучения, расположенным на поверхности 4 объекта контроля 3. Далее, излучение от светящейся точки 11 попадает насветоделитель 6, который его разделяет на два луча: один луч отражается от поверхности самого светоделителя 6, а другой –от поверхности отражателя 7. Пространственное совмещение этих лучей происходит в области размещения ФПУ 8 –в области наблюдения интерференционной картины. ФПУ 8 регистрирует интенсивность оптического поля в заданной области интерференционной картины, а преобразователь 9, связанный с ним, определяет перемещение поверхности 4 объекта контроля 3 по результатам измерения интенсивности оптического поля ФПУ 8, а также регистрирует полученные результаты измерений перемещений.
Рис. 4
Для использования описанного технического решения в составе мобильных диагностических станций, снижения трудоемкости подготовки к проведению измерений и повышения точности результатов измерений, выполняемых в «полевых» условиях, разработана его модификация, сущность которой поясняется схемой, представленной на рис. 5.Предлагаемое модифицированное устройство для измерения перемещений поверхностей объектов контроля содержит основание 1,устройство 2 для регулировки и фиксации положения, скрепленное с основанием 1 и концом 3 цилиндрического корпуса 4, во внутренней полости 5
которого размещены источник 6 когерентного оптического излучения с устройством 7 для регулировки и фиксации его положения и оптическая система 8 с устройством 9 для регулировки и фиксации ее положения, поворотный шарнир 10, установленный на конце 11 цилиндрического корпуса 4, обращенного к поверхности 12 объекта контроля 13, соединяющий цилиндрический корпус 4 с опорной балкой 14, подвижную опору 15 с устройством 16 для регулировки и фиксации ее положения, размещенную на поверхности 17 опорной балки 14, опорную пластину 18, жестко закрепленную на подвижной опоре 15, светонепроницаемый защитный корпус 19 с окном 20, во внутренней полости 21 которого размещены жестко скрепленные между собой в фиксированном положении светоделитель 22 и отражатель 23 с устройством 24 для регулировки и фиксации их положения, а также экран 25 с устройством 26 для регулировки и фиксации его положения.
Рис. 5На экране 25 в заданных областях интерференционной картины установлены ФПУ27. Опорная балка 14 выполнена составной в виде однотипных цилиндрических элементов 28, соединенных между собой разъемным соединением, например, при помощи резьбового соединения 29. Цилиндрический корпус 4 и опорная балка 14 соединены между собой при помощи устройства 30 для изменения и фиксации положения (угла)междуними сиспользованиемповоротногошарнира 10. Предлагаемое устройствотакже содержит преобразователь, который электрически связанс ФПУ 27ипредназначен для определения перемещений поверхности 12 объекта контроля 13 по результатам измерения интенсивности оптического поля в заданных областях интерференционной картины ФПУ 27, а также для регистрации полученных результатов измерений перемещений. Оптическая система 8 фокусирует излучение 31 от источника 6 на поверхность 12 объекта контроля 13 в виде светящейся точки 32, которая в свою очередь, является точечным источником излучения, расположенным на поверхности 12 объекта контроля 13. Окно 20 светонепроницаемого защитного корпуса 19 обеспечивает оптический контакт излучения 33 от светящейся точки 32 со светоделителем 22 и отражателем 23. Далее, излучение 33 от светящейся точки 32 попадает на светоделитель 22, который его разделяет на два луча: один луч 34 отражается от поверхности самого светоделителя 22, а другой 35 –от поверхности отражателя 23. Пространственное совмещение этих лучей происходит в области размещения экрана 25 –в области наблюдения интерференционной картины.Описанное модифицированное устройство защищено патентом Российской Федерации на изобретение [7].Конструкция модифицированного устройства по результатам опытной эксплуатациипри сохранении возможностей аналога [6]обеспечила сокращение трудоемкости и временных затрат на подготовку к проведению измерений в «полевых» условиях до 40%, что подтверждает возможность использования модифицированного устройствав составе мобильных диагностических комплексов.Описанныетехнические решения научнообоснованы и уже использованы при решении ряда актуальных научных и производственных задач. Онимогут быть также успешно применены в процессе высокоточных измерений линейных и угловых перемещений поверхностей объектов контроля при проведении экспериментальных исследований перспективных конструкций, зданий, сооружений и т.п., оценке их технического состояния и диагностике состояния в составе как стационарных, так и мобильных диагностических комплексов, при исследовании акустикоэмиссионных процессов в твердых телах, исследовании процессов дефектообразования в новых конструкционных материалах, исследовании волновых процессов в слоистых конструкциях и конструкциях, выполненных из анизотропных конструкционных материалов, в машиностроении, судостроении, авиастроении и т.п.Описанные технические решенияпрошли апробацию представлялись и экспонировались на XVI Московском международном салоне изобретений и инновационных технологий «Архимед2013»(Москва, Россия), XVII Международном салоне изобретательства, исследований и трансфера технологий «INVENTICA2013»(Яссы, Румыния), IX Международном салоне изобретений и новых технологий «Новое время2013»(Севастополь, Украина) и IIМеждународном салоне изобретений «ТунисИннов2014»(Жасмин Xaммaмет, Тунисская Республика),где получили одобрение специалистов, прошли экспертизу в международных комиссиях и жюри салонови были отмечены:
Золотой медалью салона «Архимед2013»;
Высшейнаградойсалона«INVENTICA2013» медалью«Gold medal theHamangia Thinker»;
Золотой медалью салона «Новое время2013»;
Золотой медалью салона «ТунисИннов2014».
Настоящие разработки частично поддержаны грантом Российского фонда фундаментальных исследований № 130800754.
Ссылки на источники1. Патент 2373492 РФ, МПК G01 B11/00, G01 B21/00. Оптическое устройство для измерения перемещений / И.П. Мирошниченко, И.А. Паринов, Е.В. Рожков, А.Г. Серкин.№ 2007144257/28, заявл. 28.11.2007; опубл. 20.11.2009. Бюл. № 32.2. Матвеев А.Н. Оптика.М.: Высшая школа, 1985.351 с.3. Батраков А.С., Бутусов М.М., Гречка Г.П. Лазерные измерительные системы.М.: Радио и связь, 1981.456 с.4. Патент 2388994 РФ, МПК G01 B11/00, G01 B9/02. Способ измерения линейных и угловых перемещений / И.П. Мирошниченко, А.Г. Серкин, В.П. Сизов.№ 2008141364/28, заявл. 20.10.2008; опубл. 10.05.2010. Бюл. № 13.5, Патент 2407988 РФ, МПК G01 B9/02, G01 B11/02. Оптическое устройство для измерения перемещений / И.П. Мирошниченко, И.А. Паринов, Е.В. Рожков, А.Г. Серкин.№ 2009101829/28, заявл. 20.01.2009; опубл. 27.12.2010. Бюл. № 36.6. Патент 2343402 РФ, МПК G01 B9/00. Оптическое устройство для измерения перемещений поверхностей объектов контроля / В.Е. Алехин, И.П. Мирошниченко, А.Г. Серкин, В.П. Сизов. № 2007110767/28, заявл. 26.03.2007; опубл. 10.01.2009. Бюл. № 1.7. Патент 2512697 РФ, МПК G01 B9/02, G01 B11/00. Оптическое интерференционное устройство для измерения перемещений поверхностей объектов контроля / И.П. Мирошниченко, И.А. Паринов, Е.В. Рожков.№ 2012146058/28, заявл. 29.10.2012; (запланировано к опубл. 10.04.2014. Бюл. № 10).
MiroshnichenkoIgor,CandidateofTechnicalSciences, associate professor,hoder of the Chair “Foundations of Designing machineries”Don State Technical University, RostovonDonHighprecision optical measuring instruments and their applicationas part of mobile diagnostic complexesAbstract.The article is devoted to the results of thelaser technologies and methods of optical interferometry for registering information in the quality control and diagnostics of the construction materials and the power of elements of the acoustic nondestructive control, and also described new technical decisions, allowing to apply the results obtained to the solution ofpractical problems of diagnostics of products in operation, as part of mobile diagnostic complexes.Keywords:laser interferometer, measurement of displacement, the object of control, diagnostics of the state (control).
Высокоточные оптические средства измерений и их применениев составе мобильных диагностических комплексов
Аннотация.Статья посвящена результатам разработки перспективных бесконтактных средств измерений перемещений поверхностей объектов контроля на основе современных лазерных технологий и методов оптической интерферометрии для регистрации информации при контроле качества и диагностике состояния конструкционных материалов и силовых элементов изделий акустическими неразрушающими методами контроля, а также описаны новые технические решения, позволяющие применить полученные результаты для решения практических задач диагностики состояния изделий, находящихся в эксплуатации, в составе мобильных диагностических комплексов.Ключевые слова: лазерный интерферометр, измерение перемещений, объект контроля, диагностика состояния.
В настоящее время интенсивное развитие приборостроения, станкостроения, машиностроения, появление новых видов конструкционных материалов и их повсеместное использование в различных областях техники приводят к необходимости разработкии внедренияперспективныхвысокоточных измерительных методов, средств и технологий для решении актуальныхнаучных и прикладных задачконтроля качества и диагностики состояния конструкционных материалов и силовых элементов изделий, находящихся в эксплуатации.Актуальным и востребованнымв этом случае является созданиевысокоточных бесконтактных средств измеренийперемещений поверхностей объектов контроля на основесовременных лазерных технологий и методов оптической интерферометриидля регистрации информации при контроле качества и диагностике состояния конструкционных материалов и силовых элементов изделий акустическими неразрушающими методами контроля, что позволяет существенно повысить точность, качествои информативность результатов измерений.Основными направлениями создания и совершенствования самих оптических интерференционных средств измерений перемещенийдля решения отмеченных задач являются разработка новых оптических схеминовых технологий для регистрации и обработки информации с интерференционных картин, расширение их функциональных возможностей, обеспечениенепрерывногоучетавнешнихвлияющих факторов с одновременным проведением коррекции и внесением поправок в результаты измерений в реальном масштабе времени.Одним из наиболее предпочтительныхдля решения перечисленных задач с точки зрения особенностей конструктивнокомпоновочной схемы и функциональных характеристик является оптическое интерференционноеустройство для измерениямалых линейных перемещений поверхностей объектов контроля, предложенное в[1]ипостроенноена основе двухходового лазерного интерферометра с совмещенными ветвями[23].Схема устройства [1] представлена нарис. 1. Устройствосодержит оптически связанные и последовательно размещенные источник 1 когерентного оптического излучения(газовый или полупроводниковый лазер), оптическую систему 2, светоделитель 3, отражатель 4, закрепленный на поверхности 5 объекта контроля 6, и экран 7 с установленным на нем фотоприемным устройством (ФПУ) 8. При этом светоделитель 3 и отражатель 4 расположены друг относительно друга под углом α, а полученная при совмещении опорного и объектного пучков интерференционная картина 9, представляющаясобойсовокупностьколец10различнойинтенсивности,проецируетсяна экран 7. ФПУ8 выполнено в виде прямоугольной матрицы фотоприемников 11 и установлено в плоскости экрана 7 радиально кольцам 10 интерференционной картины 9 на интервале от края 12 интерференционной картины 9, противоположного вершине угла α между светоделителем 3 и отражателем 4, до центра интерференционной картины 9. ФПУ8 соединено с системой регистрации, обработкии отображения результатов измерений.
Рис. 1
Устройство [1] работает следующим образом.Излучение источника 1 после прохождения оптической системы 2 преобразуется в расходящийся пучок и попадает на светоделитель 3, где происходит его разделение: одна часть отражается от поверхности светоделителя 3 (опорный пучок), а вторая часть от отражателя 4 (объектный пучок), закрепленного на поверхности5 объекта контроля 6.Полученная при совмещении опорного и объектного пучков интерференционная картина 9, представляющая собой совокупность колец 10 различной интенсивности, проецируется на экран 7 с установленным на нем ФПУ8.Изменение интенсивности колец интерференционной картины от минимального до максимального значения происходит при перемещении поверхности объекта контроля на величину /4, где
длина волны оптического излучения (например, для излучения гелийнеонового газового лазера, красного цвета, =0,63 мкм).ФПУ8 при линейном перемещении поверхности 5 объекта контроля 6 производит измерение интенсивности оптического поля в области интерференционной картины, обладающей максимальными информационными и др.характеристиками (высокимиконтрастностью, динамическим диапазоном и т.д.).Результаты измерений интенсивности оптического поля интерференционной картины,однозначно связанныес линейным перемещением поверхности 5 объекта контроля 6, от ФПУ8 передаются далее для регистрации, обработкии отображения результатов измерений.Возможными вариантами регистрации интенсивности в этом случае могут быть регистрация суммарной интенсивности оптического поля по поверхности ФПУ8, регистрация интенсивности оптического поля в кольце одного порядка, в кольцах первого и второго порядкаи т.д., т.е.устройство [1] обеспечивает реализацию практически всех известных вариантоврегистрации информации с интерференционных картин.Результаты экспериментального исследования функциональных характеристик устройства [1], проведенного с использованием опытного образца, показали повышение качества результатов измерений до 20% по сравнению с аналогичными устройствами [2,3].Функциональные возможности устройства [1]могут быть расширены за счет обеспечения одновременного измерения как малых линейных,так и малых угловыхперемещений поверхностей объектов контроля, что наиболее важно при решении практических задач, где только линейные перемещений встречаются довольно редко.Схема одного из вариантов оптического интерференционного устройства для измерения малых линейных и угловых перемещений, реализующего новыйспособизмерений, предложенный в[4], представлена на рис. 2.Данное устройство содержит источник 1 когерентного оптического излучения, оптическую систему 2, преобразующую излучение источника в расходящийся пучок,светоделитель 3, представляющий собой синусоидальную дифракционную решетку, отражатель 4, жестко закрепленный на поверхности 5 объекта контроля, экран 6, в плоскости которого установлены с возможностью регулировки положения ФПУ7, разделенные на две группы 8 и 9, каждая из которых размещена в соответствующих областяхмаксимумов 1 порядка 10 и +1 порядка 11.ФПУ7 соединены с системой регистрации, обработки и отображения результатов измерений. Отражатель 4 удален от внутренней поверхности светоделителя 3 на расстояние h. Отражатель 4 и светоделитель 3 расположены друг к другу под углом α. Возможным может быть также случай, когдаотражатель 4 отсутствует, аего функции непосредственно выполняет сама отражающая поверхность 5 объекта контроля. Максимумы 1 порядка 10 и +1 порядка 11 интерференционной картины проецируются на экран 6.В процессе проведения испытаний при возникновении линейной Δ h и (или) угловойΔα составляющих малого перемещения поверхности 5 объекта контроля происходит изменение интенсивности оптического поля в максимумах 1 порядка 10 и +1 порядка 11 интерференционной картины, в том числе и в соответствующих их областях по месту установки выделенных групп 8 и 9 ФПУ 7, которыерегистрируют интенсивность оптического поля, при этом результатами измерений являются значения интенсивностей, полученные от каждой из групп 8 и 9 ФПУ7.
Рис. 2
Возможным вариантом обработки является, например, решение системы трансцендентных уравнений вида:
I1(Δh, Δα)=J1;
I2(Δh, Δα)=J2,
где I1(Δh, Δα), I2(Δh, Δα) известные зависимости соответственно для максимумов 1 порядка 10 и +1 порядка 11, связывающие интенсивности соответственно с линейной Δh и угловой Δα составляющих перемещения поверхности 5 объекта контроля; J1, J2
значения интенсивности,измеренныекаждойизгрупп 8 и 9 фотоприемников 7, установленных в соответствующих областях максимумов 1 порядка 10 и +1 порядка 11.Результатом обработки являются значения линейной Δh и значение угловой Δα составляющих перемещения поверхности 5 объекта контроля, одновременно удовлетворяющие обоим значениям интенсивности J1и J2.Результаты экспериментального исследования функциональных характеристик опытного образца описанного устройства подтвердили достижение поставленной цели разработки.Описанные выше устройства[1,4]предназначены для использования в лабораторных условиях и неприменимы для решения практических задач в составе мобильных диагностических комплексов изза высокой трудоемкости подготовки к проведению измерений и снижения точности результатов при проведении измерений в «полевых» условиях. Высокая трудоемкость подготовки к проведению измерений обусловлена тем, что перед началом проведения измерений, производятся индивидуально установка и настройка каждого из оптических элементов для получения интерференционной картины в области регистрации информации, а снижение точности результатов обусловлено влиянием внешних источников оптического излучения, вносящих искажения в результаты измерений.Для устранения этих недостатков, сдерживающих применение средств измерений [1,4] в составе мобильных диагностических комплексов, разработаноновое техническое решение, защищенное патентомРоссийской Федерации на изобретение[5], схема которогопредставлена на рис. 3.
Рис. 3
Устройство по [5] содержит основание 1, опорную плиту 2 с центральным отверстием 3, скрепленную с основанием 1 при помощи устройства 4 для регулировки и фиксации ее положения, цилиндрический корпус 5, в полости 6 которого размещены источник 7 когерентного оптического излучения и оптическая система 8, ФПУ9, выполненное в виде прямоугольной матрицы фотоприемников с центральным отверстием 10, соосным центральному отверстию 3 плиты 2, конический корпус 11 с фланцами 12 и 13, жестко скрепленными соответственно с большим и малым основаниями конуса, светоделитель 14, жестко закрепленный на фланце 13, отражатель 15,жестко закрепленный на поверхности 16 объекта контроля 17.Плита 2 имеет наружную 18 и внутреннюю 19 поверхности, при этом последняя обращена к поверхности 16 объекта контроля 17. ФПУ9 жестко закреплено на внутренней поверхности 19 плиты 2. Цилиндрический корпус 5 размещен на наружной поверхности 18 плиты 2 соосно отверстию 3 плиты 2 и отверстию 10 устройства 9 при помощи крепежных элементов 20, обеспечивающих регулировку и фиксацию его положения. Конический корпус 11 установлен на внутренней поверхности 19 соосно цилиндрическому корпусу 5, отверстию 3 плиты 2 и отверстию 10 ФПУ9 при помощи крепежных элементов 21, обеспечивающих регулировку и фиксацию его положения. На фланце 13 конического корпуса 11 одним концом жестко закреплена эластичная светонепроницаемая мембрана 22, выполненная в виде кольца, и опирающаяся противоположным концом на поверхность 16 объекта контроля 17.Использование опытного образца устройства [5] показало, что егоконструктивнокомпоновочная схема позволяет сохранить возможности устройств [1,4]и обеспечить применение в «полевых» условиях в составе мобильных диагностических комплексов.С целью обеспечения возможности изменения диапазона измеряемых значения перемещений в процессе проведения измерений разработан унифицированный оптический интерференционный измеритель перемещений поверхностей объектов контроля, предложенный в[6].Сущность измерителя поясняется схемой, представленной на рис. 4.Измерительсодержит оптически связанные и последовательно размещенные источник 1 когерентного оптического излучения, оптическую систему 2, объект контроля 3 с поверхностью 4, общее основание 5, на котором жестко закреплены светоделитель 6, отражатель 7 и ФПУ 8, а также преобразователь 9. Основание 5 снабжено механизмом 10 для его перемещения вдоль оптической оси между поверхностью 4 объекта контроля 3 и внешней поверхностью светоделителя 6. Оптическая система 2 фокусирует излучение на поверхность 4 объекта контроля 3 в виде светящейся точки 11. Светоделитель 6, отражатель 7 и ФПУ 8 жестко закреплены на основании 5 в фиксированных положениях друг относительно друга. Преобразователь 9 электрически связан с ФПУ 8 и предназначен для определения перемещений поверхности 4 объекта контроля 3 по результатам измерения интенсивности оптического поля в заданной области интерференционной картины ФПУ 8, а также для регистрации полученных результатов измерений перемещений.Предлагаемое техническое решение работает следующим образом. Перед началом испытаний объекта контроля 3, а соответственно, и измерений перемещений его поверхности 4, априорно известендиапазон возможных значений перемещений, возникающих при проведении испытаний. И далее, размещают основание 5 с закрепленными на нем светоделителем 6, отражателем 7 и ФПУ 8 при помощи механизма 10 на расстоянии Rмежду поверхностью 4 объекта контроля 3 и внешней поверхностью светоделителя 6, соответствующем данному диапазону изменения перемещений. Это может быть выполнено с использованием зависимости изменения чувствительности Т от расстояния Rмежду поверхностью 4 объекта контроля 3 и внешней поверхностьюсветоделителя 6, полученной экспериментально при метрологическом обслуживании. При увеличении диапазона измеряемых перемещений расстояние Rувеличивают, при уменьшении диапазона измеряемых перемещений расстояние Rуменьшают путем соответствующего изменения положения основания 5.Оптическая система 2 фокусируетизлучение от источника 1 на поверхность 4 объекта контроля 3 в виде светящейся точки 11, которая в свою очередь, является точечным источником излучения, расположенным на поверхности 4 объекта контроля 3. Далее, излучение от светящейся точки 11 попадает насветоделитель 6, который его разделяет на два луча: один луч отражается от поверхности самого светоделителя 6, а другой –от поверхности отражателя 7. Пространственное совмещение этих лучей происходит в области размещения ФПУ 8 –в области наблюдения интерференционной картины. ФПУ 8 регистрирует интенсивность оптического поля в заданной области интерференционной картины, а преобразователь 9, связанный с ним, определяет перемещение поверхности 4 объекта контроля 3 по результатам измерения интенсивности оптического поля ФПУ 8, а также регистрирует полученные результаты измерений перемещений.
Рис. 4
Для использования описанного технического решения в составе мобильных диагностических станций, снижения трудоемкости подготовки к проведению измерений и повышения точности результатов измерений, выполняемых в «полевых» условиях, разработана его модификация, сущность которой поясняется схемой, представленной на рис. 5.Предлагаемое модифицированное устройство для измерения перемещений поверхностей объектов контроля содержит основание 1,устройство 2 для регулировки и фиксации положения, скрепленное с основанием 1 и концом 3 цилиндрического корпуса 4, во внутренней полости 5
которого размещены источник 6 когерентного оптического излучения с устройством 7 для регулировки и фиксации его положения и оптическая система 8 с устройством 9 для регулировки и фиксации ее положения, поворотный шарнир 10, установленный на конце 11 цилиндрического корпуса 4, обращенного к поверхности 12 объекта контроля 13, соединяющий цилиндрический корпус 4 с опорной балкой 14, подвижную опору 15 с устройством 16 для регулировки и фиксации ее положения, размещенную на поверхности 17 опорной балки 14, опорную пластину 18, жестко закрепленную на подвижной опоре 15, светонепроницаемый защитный корпус 19 с окном 20, во внутренней полости 21 которого размещены жестко скрепленные между собой в фиксированном положении светоделитель 22 и отражатель 23 с устройством 24 для регулировки и фиксации их положения, а также экран 25 с устройством 26 для регулировки и фиксации его положения.
Рис. 5На экране 25 в заданных областях интерференционной картины установлены ФПУ27. Опорная балка 14 выполнена составной в виде однотипных цилиндрических элементов 28, соединенных между собой разъемным соединением, например, при помощи резьбового соединения 29. Цилиндрический корпус 4 и опорная балка 14 соединены между собой при помощи устройства 30 для изменения и фиксации положения (угла)междуними сиспользованиемповоротногошарнира 10. Предлагаемое устройствотакже содержит преобразователь, который электрически связанс ФПУ 27ипредназначен для определения перемещений поверхности 12 объекта контроля 13 по результатам измерения интенсивности оптического поля в заданных областях интерференционной картины ФПУ 27, а также для регистрации полученных результатов измерений перемещений. Оптическая система 8 фокусирует излучение 31 от источника 6 на поверхность 12 объекта контроля 13 в виде светящейся точки 32, которая в свою очередь, является точечным источником излучения, расположенным на поверхности 12 объекта контроля 13. Окно 20 светонепроницаемого защитного корпуса 19 обеспечивает оптический контакт излучения 33 от светящейся точки 32 со светоделителем 22 и отражателем 23. Далее, излучение 33 от светящейся точки 32 попадает на светоделитель 22, который его разделяет на два луча: один луч 34 отражается от поверхности самого светоделителя 22, а другой 35 –от поверхности отражателя 23. Пространственное совмещение этих лучей происходит в области размещения экрана 25 –в области наблюдения интерференционной картины.Описанное модифицированное устройство защищено патентом Российской Федерации на изобретение [7].Конструкция модифицированного устройства по результатам опытной эксплуатациипри сохранении возможностей аналога [6]обеспечила сокращение трудоемкости и временных затрат на подготовку к проведению измерений в «полевых» условиях до 40%, что подтверждает возможность использования модифицированного устройствав составе мобильных диагностических комплексов.Описанныетехнические решения научнообоснованы и уже использованы при решении ряда актуальных научных и производственных задач. Онимогут быть также успешно применены в процессе высокоточных измерений линейных и угловых перемещений поверхностей объектов контроля при проведении экспериментальных исследований перспективных конструкций, зданий, сооружений и т.п., оценке их технического состояния и диагностике состояния в составе как стационарных, так и мобильных диагностических комплексов, при исследовании акустикоэмиссионных процессов в твердых телах, исследовании процессов дефектообразования в новых конструкционных материалах, исследовании волновых процессов в слоистых конструкциях и конструкциях, выполненных из анизотропных конструкционных материалов, в машиностроении, судостроении, авиастроении и т.п.Описанные технические решенияпрошли апробацию представлялись и экспонировались на XVI Московском международном салоне изобретений и инновационных технологий «Архимед2013»(Москва, Россия), XVII Международном салоне изобретательства, исследований и трансфера технологий «INVENTICA2013»(Яссы, Румыния), IX Международном салоне изобретений и новых технологий «Новое время2013»(Севастополь, Украина) и IIМеждународном салоне изобретений «ТунисИннов2014»(Жасмин Xaммaмет, Тунисская Республика),где получили одобрение специалистов, прошли экспертизу в международных комиссиях и жюри салонови были отмечены:
Золотой медалью салона «Архимед2013»;
Высшейнаградойсалона«INVENTICA2013» медалью«Gold medal theHamangia Thinker»;
Золотой медалью салона «Новое время2013»;
Золотой медалью салона «ТунисИннов2014».
Настоящие разработки частично поддержаны грантом Российского фонда фундаментальных исследований № 130800754.
Ссылки на источники1. Патент 2373492 РФ, МПК G01 B11/00, G01 B21/00. Оптическое устройство для измерения перемещений / И.П. Мирошниченко, И.А. Паринов, Е.В. Рожков, А.Г. Серкин.№ 2007144257/28, заявл. 28.11.2007; опубл. 20.11.2009. Бюл. № 32.2. Матвеев А.Н. Оптика.М.: Высшая школа, 1985.351 с.3. Батраков А.С., Бутусов М.М., Гречка Г.П. Лазерные измерительные системы.М.: Радио и связь, 1981.456 с.4. Патент 2388994 РФ, МПК G01 B11/00, G01 B9/02. Способ измерения линейных и угловых перемещений / И.П. Мирошниченко, А.Г. Серкин, В.П. Сизов.№ 2008141364/28, заявл. 20.10.2008; опубл. 10.05.2010. Бюл. № 13.5, Патент 2407988 РФ, МПК G01 B9/02, G01 B11/02. Оптическое устройство для измерения перемещений / И.П. Мирошниченко, И.А. Паринов, Е.В. Рожков, А.Г. Серкин.№ 2009101829/28, заявл. 20.01.2009; опубл. 27.12.2010. Бюл. № 36.6. Патент 2343402 РФ, МПК G01 B9/00. Оптическое устройство для измерения перемещений поверхностей объектов контроля / В.Е. Алехин, И.П. Мирошниченко, А.Г. Серкин, В.П. Сизов. № 2007110767/28, заявл. 26.03.2007; опубл. 10.01.2009. Бюл. № 1.7. Патент 2512697 РФ, МПК G01 B9/02, G01 B11/00. Оптическое интерференционное устройство для измерения перемещений поверхностей объектов контроля / И.П. Мирошниченко, И.А. Паринов, Е.В. Рожков.№ 2012146058/28, заявл. 29.10.2012; (запланировано к опубл. 10.04.2014. Бюл. № 10).
MiroshnichenkoIgor,CandidateofTechnicalSciences, associate professor,hoder of the Chair “Foundations of Designing machineries”Don State Technical University, RostovonDonHighprecision optical measuring instruments and their applicationas part of mobile diagnostic complexesAbstract.The article is devoted to the results of thelaser technologies and methods of optical interferometry for registering information in the quality control and diagnostics of the construction materials and the power of elements of the acoustic nondestructive control, and also described new technical decisions, allowing to apply the results obtained to the solution ofpractical problems of diagnostics of products in operation, as part of mobile diagnostic complexes.Keywords:laser interferometer, measurement of displacement, the object of control, diagnostics of the state (control).
