УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ Российский патент 1998 года по МПК G01B11/16 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к определению деформаций деталей и образцов оптическими методами.

Известно устройство для измерения деформаций, содержащее источник монохроматического когерентного излучения, оптически сопряженные с ним два оптоволокна - световода и средство регистрации интерференционных картин в виде кинокамеры или видеокамеры (см. описание к патенту США N 4850693, НКИ 356-35.5, 1989). Недостатками известного устройства являются то, что оно позволяет измерять поверхностную деформацию изделия и не позволяет отличить истинную деформацию от перемещения изделия как целого.

Известно устройство для измерения деформаций, содержащее лазер, оптически сопряженные с ним два световода, закрепляемые на деформируемом образце, и средство для регистрации интерференционных картин (см. описание к патенту Великобритании N 2029982, G 01 B 11/16, 1980). Недостатком известного устройства является его малая чувствительность, обусловленная тем, что величина деформации, пропорциональная разности фаз, в свою очередь, зависит от разницы в степени деформации каждого из световодов, которая весьма мала.

Известно устройство для измерения деформаций из описания к авт.св. СССР N 195688, G 01 B 11/16, 1967. Устройство содержит источник монохроматического излучения, систему распределения светового потока на два луча в виде двух световодов и средство регистрации. При этом один из световодов жестко соединен с деформируемым образцом.

Недостатком известного устройства является его малая чувствительность, обусловленная тем, что в основе измерения лежит величина разности фаз световых потоков, возникающая при деформации участка световода, жестко соединенного с образцом, которая обычно невелика. Кроме того, измерения зависят от температуры, поскольку, если коэффициенты температурного расширения световода и деформируемого образца не равны между собой, то при изменении температуры окружающей среды в жестко соединенном с образцом световоде будут возникать напряжения и деформации, приводящие к возникновению сдвига фаз световых потоков, соизмеримых с величиной сдвига фаз, возникающих при деформации образца.

Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности и достигаемому результату является устройство для измерения деформаций, известное из описания к авт. св. СССР N 1486780, G 01 B 11/16, 1989.

Устройство содержит лазер в качестве источника излучения, систему разделения светового потока на два луча, конечные элементы которой жестко соединены с деформируемым объектом, средство для регистрации интерференционной картины и блок обработки регистрируемых картин. При этом конечные элементы системы разделения светового потока выполнены в виде установленных параллельно друг другу зеркал. При деформации контролируемого объекта происходит смещение конечных элементов (зеркал) относительно друг друга, что приводит к изменению регистрируемой интерференционной картины. С помощью блока обработки по характеру изменения интерференционной картины судят о величине и характере деформации.

Недостатком известного устройства является то, что оно измеряет деформацию тела, которая может быть обусловлена одновременным действием различных факторов (температура, барометрическое давление, силовое воздействие). При этом в ряде случаев влияние разных факторов может суммироваться, а может вычитаться. Указанные обстоятельства, в частности, не позволяют использовать известное устройство определения чисто силового воздействия на деформируемое тело по его деформации, т.е. не дает возможности использовать его, например, в качестве весоизмерительной системы.

Заявляемое изобретение направлено на обеспечение измерения деформации тел, обусловленной чисто силовым воздействием на них, и исключение влияния других внешних факторов (температура, давление и т.п.) на измеряемый параметр.

Указанный результат достигается тем, что устройство для измерения деформаций содержит лазер, систему разделения его светового потока на два луча, конечные элементы которой соединены с деформируемым объектом, средство для регистрации интерференционных картин и средство для их обработки, при этом конечные элементы системы разделения светового потока соединены с деформируемым объектом через установленные с зазором накладки, каждая из которых закреплена в одной точке с деформируемым объектом, при этом конечные элементы системы разделения светового потока жестко соединены с накладками, а накладки выполнены из материала, выбранного из условия:
β₀L₀= β₁L₁+β₂L₂ (1)
где
β₀ - коэффициент линейного расширения материала деформируемого объекта, обусловленного внешним воздействием;
β₁ - коэффициент линейного расширения материала накладки для первого конечного элемента;
β₂ - коэффициент линейного расширения материала накладки для второго конечного элемента;
L₀ - расстояние между точками крепления накладок к деформируемому объекта;
L₁ - расстояние между точкой крепления первой накладки к деформируемому объекту и точкой крепления конечного элемента на ней;
L₂ - расстояние между точкой крепления второй накладки к деформируемому объекту и точкой крепления конечного элемента на ней.

Указанный результат достигается также тем, что конечные элементы системы разделения светового потока выполнены в виде световодов.

Указанный результат достигается также тем, что накладки, соединяющие конечные элементы с деформируемым объектом, выполнены из того же материала, что и деформируемый объект.

Отличительными признаками заявляемого устройства для измерения деформаций являются:
- соединение конечных элементов системы разделения светового потока с деформируемым объектом через накладки, выполненные из материала, выбранного из условия:
β₀L₀= β₁L₁+β₂L₂ (1)
где
β₀ - коэффициент линейного расширения материала деформируемого объекта, обусловленного внешним воздействием;
β₁ - коэффициент линейного расширения материала накладки для первого конечного элемента;
β₂ - коэффициент линейного расширения материала накладки для второго конечного элемента;
L₀ - расстояние между точками крепления накладок к деформируемому объекту;
L₁ - расстояние между точкой крепления первой накладки к деформируемому объекту и точкой крепления конечного элемента на ней;
L₂ - расстояние между точкой крепления второй накладки к деформируемому объекту и точкой крепления конечного элемента на ней;
- установка накладок с зазором;
- выполнение конечных элементов системы разделения светового потока в виде световодов;
- выполнение накладок, соединяющих конечные элементы с деформируемым объектом из того же материала, что и деформируемый объект.

Необходимость жесткой связи конечных элементов системы разделения светового потока (зеркал или волноводов) с деформируемым телом обусловлена тем, что при однородном деформировании базы деформируемого тела, когда одна из главных осей деформации параллельна направлению распространения конуса интерференции, изменение разности оптических путей между лучами в конусе интерференции связано только с изменением расстояния между закрепленными на теле конечными элементами.

В случае интерференции одинаковых гауссовых пучков при геометрии пересечения, удовлетворяющей условиям, когда расходимость пучков превосходит угол между пучками, распределение интенсивности 1 в плоском сечении конуса интерференции имеет вид:
,
где
A - амплитуда поля;
X, Y, Z - относительные координаты;
ось Z - биссектриса угла между осями двух пучков;
ω - радиус пучка;
Λ - шаг интерференционной решетки в плоскости наблюдения;
λ - длина волны когерентного источника;
Δ l - разность хода оптических путей между лучами.

Это означает, что в любом поперечном сечении протяженной области интерференции наблюдается одно и то же распределение интенсивности, отличающееся лишь масштабным множителем.

Если регистрация интенсивности производится в одной и той же точке пространства, а геометрия пучков неизменна, то изменение интенсивности может происходить лишь за счет изменения в разности оптических путей Δ l:

При этом происходят следующие изменения в распределении интенсивности в плоскости сечения, проходящей через точку измерения. Гауссова огибающая неподвижна, а гармоническая составляющая перемещается пропорционально изменению разности оптических путей Δ l. Так при удлинении (или сжатии) базы деформирования L₀ на величину длины волны λ расстояние между вторыми источниками также изменится на λ . Это означает, что гармоническая составляющая изменится на величину 2π , т.е. интерференционная решетка сдвинется ровно на 1 полосу.

Таким образом, устройство ориентировано на измерение именно относительных перемещений накладки, на которых жестко закреплены конечные элементы, то есть на измерение деформации.

Для того чтобы исключить влияние внешних факторов, например изменения температуры, давления, приводящих к деформации объекта, и измерять только деформацию, обусловленную силовым воздействием на объект, необходимо в общем случае выполнение указанного выше условия:
β₀L₀= β₁L₁+β₂L₂ ,
где под коэффициентами β_n подразумеваются соответственно коэффициенты температурного или барометрического расширения объекта и накладок.

При соблюдении этого условия, несмотря на деформацию объекта, обусловленную, например, изменением температуры, расстояние между конечными элементами останется неизменным, т.е. возможное их относительное смещение, которое неизбежно произошло бы, если не использовать накладки, компенсируется перемещением накладок, обусловленным их температурной деформацией. В результате и создаваемая лучами от конечных элементов интерференционная картина останется неизменной.

Наиболее оптимальным является выполнение накладок из того же материала, что и деформируемый объект, т.к. в этом случае все коэффициенты - температурный, барометрический и т. д. будут совпадать и будет исключено влияние всех факторов одновременно. Если же изготавливать накладки из разнородных материалов, то может оказаться, что условие (1) выполняется для выбранных материалов только для компенсации температурных деформаций, но не выполняется для барометрических деформаций из-за их отличий от требуемых.

Установка накладок с зазором позволяет обеспечить их взаимное смещение при деформации объекта и соответственно ее измерение.

При использовании в качестве конечных элементов зеркал (как это предусмотрено в прототипе) устройство должно содержать оптическую систему, преобразующую два луча в расходящиеся пучки и смешивающую их для обеспечения получения интерференционной картины.

В частном случае реализации устройства в качестве конечных элементов могут быть использованы оптические волноводы, выходные концы которых закреплены в соответствующих точках накладок, а входные оптически сопряжены с расщепителем.

В этом случае устройство упрощается, т.к. отпадает необходимость в оптической системе, поскольку выходящие из волноводов пучки являются расходящимися. Упрощается юстировка устройства и его эксплуатация, что позволяет использовать его не только в лабораторных условиях, но и в производственных.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для измерения деформаций, охарактеризованная в п.1 формулы изобретения с выполнением конечных элементов системы разделения светового потока в виде зеркал; на фиг. 2 - структурная схема варианта реализации устройства, охарактеризованная в п. 1 и 2 формулы изобретения.

Устройство содержит лазер 1, в качестве которого может быть использован любой из числа известных, например газовый или полупроводниковый. По ходу светового потока лазера устанавливается система его разделения на два луча, содержащая расщепитель 2, например, в виде светоделительного кубика (фиг. 1) или оптоволоконного ветвителя (фиг. 2) и два конечных элемента 3, выполненных в виде зеркал (фиг. 1) или световодов (фиг. 2). Конечные элементы системы разделения светового потока жестко соединены с деформируемым объектом 4 через накладки 5, выполненные в виде пластин толщиной 1 - 4 мм, каждая из которых, в свою очередь, жестко соединена с деформируемым объектом в одной точке крепления 6 известным методом (точечной сваркой, заклепкой, болтом) с образованием зазора между накладками. Устройство снабжено средством 7 для регистрации интерференционных картин, в качестве которого может быть использован известный фотоприемник со щелевой диафрагмой, продольная ось которой параллельна полосам интерференционной картины, а поперечный размер меньше периода картины. Выход фотоприемника соединен с входом средства 8 обработки интерференционных картин, в качестве которого может быть использован персональный компьютер с соответствующим программным обеспечением. В случае использования в качестве конечных элементов зеркал (фиг. 1) устройство снабжается оптической системой 9, обеспечивающей преобразование исходящих от конечных элементов лучей в расходящиеся и их смещения. Выбор точек крепления 6, материала накладок 5 и места установки на накладках конечных элементов определялся из условия (1).

Устройство работает следующим образом.

Световой поток от лазера 1 разделяется блоком 2 на два луча равной интенсивности, которые, исходя из конечных элементов 3, образуют интерференционную картину, которая регистрируется фотоприемником 7, сигнал с которого поступает на компьютер 8. При отсутствии каких-либо воздействий на деформируемый объект 4 конечные элементы 3 находятся неподвижно относительно друг друга и соответственно остается неподвижной интерференционная картина, регистрируемая фотоприемником 7.

Если изменяется какой-либо параметр окружающей среды, например, начинает возрастать температура, то под ее воздействием образец 4 начинает удлиняться, т.е. расстояние между точками 6 крепления накладок будет увеличиваться. Но при этом будут удлиняться и накладки 5, а поскольку они закреплены в одной точке, то они начнут смещаться навстречу друг другу благодаря наличию зазора.

В результате при соблюдении условия (1) увеличение расстояния между точками 6 и величина смещения накладок 5 навстречу друг другу будут равны, соответственно относительное смещение конечных элементов 3 будет равно нулю и интерференционная картина остается неподвижной.

При приложении же чисто силового воздействия к деформируемому объекту 4 (сжатия или растяжения) расстояние между точками 6 будет изменяться, что повлечет за собой и смещение накладок, т.к. они закреплены только в этих точках. В результате произойдет и смещение конечных элементов 3 относительно друг друга, что влечет за собой возникновение разности фаз между лучами и смещение полос интерференционной картины.

С помощью фотоприемника 7 и компьютера 8 определяется число полос интерференционной картины, на которое она смесится, и соответственно вычисляется деформация, т.е. изменение расстояния между точками 6.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет с высокой точностью измерять деформацию контролируемого объекта, исключив влияние внешних факторов на измеряемый параметр.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к определению деформаций деталей и образцов оптическими методами. Устройство содержит лазер, систему разделения его светового потока на два луча, два конечных элемента которой соединены с деформируемым объектом, средство для регистрации интерференционных картин и средство для их обработки, при этом конечные элементы системы разделения светового потока соединены с деформируемым объектом через накладки, установленные с зазором между собой. Каждая из накладок закреплена в одной точке деформируемого объекта, а конечные элементы системы разделения светового потока жестко соединены с накладками. Материал, из которого изготовлены накладки, подбирается так, чтобы при изменении параметров внешней среды конечные элементы не смещались относительно друг друга. 2 з.п. ф-лы. 2 ил.

1. Устройство для измерения деформации, содержащее лазер, систему разделения его светового потока на два луча, два конечных элемента которой соединены с деформируемым объектом, средство для регистрации интерференционных картин и средство для их обмотки, отличающееся тем, что конечные элементы системы разделения светового потока соединены с деформируемым объектом через установленные с зазором накладки, каждая из которых закреплена в одной точке на деформируемом объекте, при этом конечные элементы разделения светового потока жестко соединены с накладками, а накладки выполнены из материала, выбранного из условия
β₀L₀= β₁L₁+β₂L₂,
где β₀ - коэффициент линейного расширения материала деформируемого объекта, обусловленного внешним воздействием;
β₁ - коэффициент линейного расширения материала накладки для первого конечного элемента;
β₂ - коэффициент линейного расширения материала накладки для второго конечного элемента;
L₀ - расстояние между точками крепления накладок к деформируемому объекту;
L₁ - расстояние между точкой крепления первой накладки к деформируемому объекту и точкой крепления конечного элемента на ней;
L₂ - расстояние между точкой крепления второй накладки к деформируемому объекту и точкой крепления конечного элемента на ней. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что конечные элементы системы разделения светового потока выполнены в виде световодов. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что накладки, соединяющие конечные элементы с деформируемым объектом, выполнены из того же материала, что и деформируемый объект.