СПОСОБ ДИЛАТОМЕТРИИ Российский патент 2015 года по МПК G01N25/16 G01B9/02 

Изобретение относится к области исследования физических свойств материалов, в частности определения деформаций, вызванных различными воздействиями, и может быть использовано преимущественно в дилатометрии, например, для измерения коэффициента линейного расширения.

Известен способ измерения температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) образца, закрепляемого на массивном неподвижном основании (US 3788746 [1]), с использованием метода интерферометрии. Измерение проводится путем сравнения набора полос, которые реагируют на движение образца, с набором полос, которые реагируют на движение основания. Недостатком известного способа является относительно невысокая точность измерений, высокие требования к качеству поверхностей образца и основания, выполняющих роль зеркал интерферометра.

Известен интерференционный способ измерения абсолютного ТКЛР образца, при котором используется дилатометр, содержащий интерферометр типа Физо, образованный поверхностями двух отражательных элементов, помещенных вместе с образцом в печь-термостат; при этом данный дилатометр содержит держатель образца из материала с известным ТКЛР, причем нижняя отражающая поверхность интерферометра жестко связана с держателем, а верхняя имеет контакт с держателем и с образцом, установленным в держателе и опирающимся на клиновидную регулировочную пластину (RU 2089890 [2]). Точность измерения с использованием такого устройства недостаточна, поскольку измерение основано на изменении угла между отражающими поверхностями интерферометра Физо, что не обеспечивает высокой чувствительности к линейному расширению образца; кроме того, реализуемый в нем принцип интерференционных измерений основан на определении изменения периода интерференционных полос, погрешность которого существенно зависит от качества изготовления отражающих поверхностей интерферометра.

Известен способ определения неоднородности ТКЛР оптической заготовки, выбранный в качестве прототипа, при котором из нескольких различных участков исследуемой заготовки изготавливают образцы, каждый из которых имеет два опорных торца, помещают в термостат образец и два отражательных элемента (верхний и нижний) так, чтобы отражающие поверхности этих элементов образовали интерферометр типа Физо, контактируя с соответствующими опорными сторонами образца, освещают эти элементы параллельным пучком когерентного монохроматического излучения, изменяют температуру в термостате, регистрируют картину интерференционных полос, одновременно измеряют температуру в термостате, определяют изменение координат интерференционных полос в зависимости от изменения температуры, повторяют последовательно всю описанную измерительную процедуру для каждого из образцов и определяют характеристики неоднородности ТКЛР путем сравнения результатов измерения, полученных для отдельных образцов. (A review of measurement systems for evaluating thermal expansion homogeneity of Corning Code 7971 ULE™/Proc. SPIE Vol. 1533, 1991 pp. 199-201. [3]).

Главным недостатком этого способа является недостаточно высокая точность измерения. Основными составляющими погрешности являются погрешность определения изменения длины образца (удлинения), которая тем больше, чем больше оптическая разность хода интерферирующих пучков, и погрешность измерения температуры, вклад которой в суммарную погрешность измерения пропорционален изменению разности хода интерферирующих пучков. В указанном способе разность хода интерферирующих пучков определяется длиной образца, которая должна быть достаточно велика для обеспечения необходимой чувствительности контроля.

Основное ограничение, которое имеют классические дилатометры, - необходимость изготовления образцов специальной формы. Это особенно существенно в тех случаях, когда материал не поддается точной механической обработке или полировке либо технология создания материала не позволяет получить его в достаточном объеме, в частности, из-за ограничений, вносимых технологическим процессом изготовления, или если компоненты материала являются дорогостоящими. Кроме того, поскольку в некоторых типах технологий материал создается в форме изделия, возникает необходимость измерять ТКЛР непосредственно изделия, т.к. абстрактные образцы материала могут просто не существовать. Это приводит к необходимости разрабатывать методы и методики выполнения измерений, учитывающие специфику поведения таких материалов, усовершенствовать существующие и развивать измерительные возможности эталонной аппаратуры, а также расширять круг материалов и объектов за счет тех, для которых измерения ТКЛР можно будет проводить с требуемой точностью (Компан Т.А. Измерительные возможности и перспективы развития дилатометрии // Мир измерений. - 2011. - №7 - С. 14-21. [4]).

Одно из возможных решений проблемы контроля материалов, образцов и изделий с нерегулярной поверхностью состоит в применении спекл-интерферометрии - разновидности интерференционного метода. При тепловом расширении образца интенсивность и фаза спеклов динамически изменяются, при этом изменения фазы характеризуют нормальное смещение поверхности образца. В процессе таких измерений требуется отслеживать изменения фаз отдельных спеклов. Поскольку контраст спеклов при температурном расширении исследуемого образца изменяется случайным образом во времени и от спекла к спеклу, необходимо селектировать спеклы по амплитуде и вычислять изменения фазы по набору спеклов (Коста Дж., Манджини C., Отонелло П. Измерение теплового расширения при помощи спеклинтерферометра // Приборы для научных исследований. - 1987. - №1. - С. 81-85. [5]).

Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности является способ контроля ТКЛР образцов с неплоским рельефом и негладкой поверхностью при помощи спекл-интерферометра Майкельсона, описанный в [4] (см. с. 19, рис. 6). Способ предусматривает снятие спекл-интерферограммы поля нормальных перемещений с передней поверхности тела с отображением на экране монитора ЭВМ. При тепловом расширении образца интенсивность и фаза спеклов динамически изменяются, при этом изменения фазы характеризуют нормальное смещение поверхности образца.

Недостатком известного способа является его относительно малая информативность, заключающаяся в том, что отслеживается смещение только одной поверхности образца, в то время как при нагревании происходит расширение образца по всем направлениям.

Заявляемый способ дилатометрии направлен на повышение информативности за счет обеспечения возможности одновременного определения смещения нескольких поверхностей образца.

Указанный результат достигается тем, что применяется способ дилатометрии, который заключается в том, что часть отражающих элементов спекл-интерферометра располагают за обследуемым телом, освещая и отображая невидимые спереди участки его поверхности, а зарегистрированные от них спекл-интерферограммы размещают в выделенных для них частях экрана монитора ЭВМ, не пересекающихся с отображением спекл-интерферограммы передней поверхности тела, вычисляют разностную спекл-интерферограмму перемещений поверхностей по отношению к их исходному состоянию и определяют по ней изменение расстояния между любыми двумя точками поверхности тела. При помощи заявляемого способа дилатометрическая информация может быть одновременно снята не только с лицевой и тыльной сторон объекта, но и с остальных доступных для наблюдения частей поверхности тела.

Данный способ опирается на принцип спекл-интерферометрической регистрации малых перемещений поверхности объекта наблюдения в форме интерферометрических полос, соответствующих изолиниям этих перемещений. Плотность расположения изолиний - шаг полос - определяется длиной волны лазера спекл-интерферометра и трехмерным профилем функции распределения перемещений на поверхности наблюдения. Он обобщает спекл-интерферометрический подход к дилатометрическим измерениям на случай, когда и лицевая, и тыльная поверхности тела имеют сложную геометрию и их поля перемещений при создаваемых на тело воздействиях имеют неоднородные распределения по поверхности.

Сущность заявляемого способа дилатометрии поясняется графическими материалами и примером реализации способа. На фиг. 1 представлена принципиальная схема установки, реализующей способ. На фиг. 2 представлено изображение образца в виде параллелепипеда, помещенного в установку в видимом свете (A, B - грани лицевой поверхности, C, D - грани тыльной стороны объекта, видимые через зеркальные элементы, установленные позади него). На фиг. 3 представлено изображение спекл-интерферограммы перемещений по всем боковым граням при наклоне параллелепипеда как жесткого целого. На фиг. 4 представлено изображение интерферограммы микроперемещений на боковых гранях параллелепипеда при неравномерном нагреве его верхней грани. Белыми вертикальными прямыми отмечены ребра параллелепипеда.

Экспериментальная регистрация картины линий уровня малых перемещений одновременно по лицевой и тыльной сторонам объекта осуществляется с помощью спекл-интерферометра, в качестве оптической схемы которого принята модифицированная схема Майкельсона, дополненная оптическими элементами позади объекта измерения (фиг.1). Основные элементы схемы: лазер - 1, коллиматор - 2, полупрозрачное делительное зеркало - 3, объект измерения - 4, призма в форме треугольного параллелепипеда из оптического стекла - 5 с внутренними посеребрянными гранями, либо два зеркала, расположенные так, чтобы через них обеспечивалось освещение тыльной стороны объекта, в качестве которого в примере использован прямоугольный параллелепипед с боковыми гранями A, B, C, D и отображение невидимых спереди граней C, D в участки матрицы видеокамеры, отличные от участков, в которые отображается лицевая поверхность объекта (грани A, B), диффузно-отражающая неподвижная пластина - 6, видеокамера - 7; стрелками показаны направления лучей.

Излучение лазера 1 падает на коллиматор 2, формирующий расширенный параллельный луч, который, попадая на полупрозрачное зеркало 3, делится на предметные и опорные лучи. Предметные лучи, проходя через полупрозрачное зеркало 3, попадают на объект 4 и призму за ним 5. Отражая прошедшие мимо объекта лучи, призма освещает невидимую спереди поверхность объекта (грани C, D параллелепипеда). В то же время эта призма играет роль возвратного зеркала, проецируя лучи, отраженные от граней C, D, через делительное зеркало 3 в участки матрицы видеокамеры 7, отличные от участков, в которые попадают лучи, отраженные от лицевой поверхности объекта. Отраженные от объекта предметные лучи несут оптическую информацию о полях микроперемещений передних и задних поверхностей объекта.

Опорный луч отражается от зеркала 3, затем, - от неподвижной диффузно отражающей пластины 6, вторично попадает на делительное зеркало 3 и, частично отразившись, а частично рассеявшись, - в видеокамеру 7. На фиг. 1 сплошными стрелками показан опорный луч, двойными стрелками - предметные лучи, падающие и отражающиеся от лицевых поверхностей объекта, пунктирными - от его задних поверхностей.

Микроперемещения поверхностей наблюдения, происходящие после записи спеклограммы их исходного положения, проявляются в форме спекл-интерферограммы реального времени в результате покадрового вычитания матрицы исходной спекл-картины из матрицы текущего состояния. Так как на матрицу видеокамеры транслируются непересекающиеся изображения всех четырех боковых граней объекта, то в разных участках экрана монитора ЭВМ одновременно наблюдаются четыре непересекающиеся системы интерференционных полос - от двух передних и двух задних граней объекта. Изображения мест поверхности объекта, нормальные перемещения которых отсутствовали, либо были близки целому числу длин полуволны лазерного излучения, выглядят на спекл-интерферограмме как темные полосы, а места поверхности, перемещения которых близки полуцелому числу полуволн лазера, - как светлые полосы.

На фиг. 2 приведено изображение объекта - прямоугольного параллелепипеда высотой 5 см квадратного поперечного сечения со стороной 2,5 см в видимом свете. Лицевые грани, обращенные к источнику освещения, обозначены, как и на фиг. 1, буквами A и B. Изображения, невидимых спереди, тыльных граней C и D проецируются на матрицу видеокамеры зеркалами, установленными позади объекта.

На фиг. 3 приведена спекл-интерферограмма, на которой видны перемещения по всем боковым граням параллелепипеда при его наклоне как жесткого целого. Полосы параллельны друг другу, распределены равномерно по высоте параллелепипеда. Исходя из вида интерферограммы, изображенной на фиг. 3, величина угла 9 наклона параллелепипеда определяется по формуле

где λ - длина волны лазера, N - число однотипных (темных или светлых) полос интерферограммы, H - высота параллелепипеда. В данном случае при длине волны лазерного излучения λ=0,532 мкм (в оптической схеме использовался твердотельный зеленый лазер) зарегистрированная величина угла наклона параллелепипеда составила около 11 угловых секунд.

Другая спекл-интерферограмма, изображенная на фиг. 4, иллюстрирует процесс неравномерного температурного расширения боковой поверхности параллелепипеда при несимметричном нагреве его верхней грани. Здесь для наблюдения за непрерывностью перехода полос с одной задней грани параллелепипеда на другую зеркала позади него были установлены под углом 90°, в результате чего было совмещено отображение интерферограмм на задних гранях ценой некоторого уменьшения их масштабов. Видно, как поле перемещений поверхности тела проявляет его температурное поле.

В соответствии с формулой (1) для нормальных перемещений W и расположения линий уровня этих перемещений на фиг. 4 может быть произведен расчет изменений расстояний между любыми двумя точками боковой поверхности параллелепипеда. С учетом малости этих изменений в сравнении с габаритными размерами тела величина их может быть вычислена по формуле

где (x₁, y₁, z₁), (x₂, y₂, z₂) - исходные координаты выбранных точек, например, когда первая находится на грани A, а вторая - на грани C в декартовой системе координат с началом в одной из точек пересечения ребер параллелепипеда, а N₁ и N₂ - число зарегистрированных полос для этих точек на участках спекл-интерферограммы, соответствующих этим граням.

Этот расчет позволяет определять изменения размеров тела с субмикронной точностью. При необходимости данный расчет может быть уточнен по алгоритму, учитывающему не только число полос, но и их расположение, описанному в патенте RU №2359221 [6]. При таком расчете точность снимаемой дилатометрической информации повышается до величин порядка 1 нм.

Изобретение относится к области исследования физических свойств материалов и может быть использовано преимущественно в дилатометрии, например, для измерения коэффициента линейного расширения. Заявленный способ дилатометрии включает снятие спекл-интерферограммы поля нормальных перемещений с передней поверхности тела с отображением на экране монитора ЭВМ и определение по ней величины перемещения. При этом часть отражающих элементов спекл-интерферометра располагают за обследуемым телом, освещая и отображая невидимые спереди участки его поверхности, а зарегистрированные от них спекл-интерферограммы размещают в выделенных для них частях экрана монитора ЭВМ, не пересекающихся с отображением спекл-интерферограммы передней поверхности тела. Вычисляют разностную спекл-интерферограмму перемещений поверхностей по отношению к их исходному состоянию и определяют по ней изменение расстояния между любыми двумя точками поверхности тела. Технический результат - повышение информативности и достоверности получаемых данных за счет обеспечения возможности одновременного определения смещения нескольких поверхностей образца. 4 ил.

Способ дилатометрии, включающий регистрацию спекл-интерферограммы поля нормальных перемещений с передней поверхности тела с отображением на экране монитора ЭВМ и определение по ней величины перемещения, отличающийся тем, что часть отражающих элементов спекл-интерферометра располагают за обследуемым телом, освещая и отображая невидимые спереди участки его поверхности, а зарегистрированные от них спекл-интерферограммы размещают в выделенных для них частях экрана монитора ЭВМ, не пересекающихся с отображением спекл-интерферограммы передней поверхности тела, вычисляют разностную спекл-интерферограмму перемещений поверхностей по отношению к их исходному состоянию и определяют по ней изменение расстояния между любыми двумя точками поверхности тела.