УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УПРУГИХ ПОСТОЯННЫХ МАЛОПЛАСТИЧНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ПРИ ПОВЫШЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ Российский патент 2018 года по МПК G01N3/08 

Изобретение относится к исследованию прочностных свойств материалов оптическими средствами измерения путем приложения к ним сжимающих статических нагрузок.

Известно устройство для измерения деформаций (а.с. СССР №958851, МПК3 G01B 11/16, опубл. 15.09.82, Бюл. №34), содержащее основание, установленные на основании лазер, расположенный по ходу его излучения светоделитель, зеркало, образующее эталонное плечо интерферометра, два измерительных штока, подпружиненных в осевом направлении, три зеркала, расположенных в рабочем плече интерферометра, последовательно расположенные коллиматор, диафрагму, фотоприемник и электронную схему обработки, а также два зеркала, установленные на торцах измерительных штоков.

Недостатком известного устройства является низкая точность вследствие использования контактного метода измерения.

Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является устройство для определения упругих постоянных малопластичных металлов и сплавов (пат. РФ №1744445, МПК5 G01B 11/00, опубл. 30.06.92, Бюл. №24), которое содержит основание с неподвижной плитой и подвижную в продольном направлении плиту. Между плитами расположен исследуемый образец прямоугольного сечения с одной зеркально-полированной боковой поверхностью. На основании установлен лазер, расположенные по ходу его излучения светоделитель и зеркало, отраженные лучи от которых образуют эталонные плечи двуплечих интерферометров соответственно поперечных и продольных деформаций. После интерферометров по ходу отраженных лучей рабочих плеч последовательно расположены два коллиматора, две диафрагмы, два фотоприемника и электронная схема обработки. При этом рабочее плечо интерферометра продольных деформаций образует зеркало, установленное на подвижной плите, а рабочее плечо интерферометра поперечных деформаций образует зеркально-полированная боковая поверхность исследуемого образца. Устройство может быть также снабжено тремя зеркалами, расположенными по ходу излучения в рабочем плече интерферометра поперечных деформаций.

Недостатками известного устройства являются недостаточная точность измерений из-за погрешностей, возникающих под воздействием силы нагружения от просадки неподвижной плиты и взаимного перекоса плит, погрешности, связанной с направлением луча рабочего плеча под углом относительно нормали к передней зеркальной поверхности исследуемого образца, низкой чувствительности, а также невозможность проведения измерений на нагретом образце из-за быстрой потери тепла, связанной с его стоком в плиты пресса и длительностью установки и настройки.

Задачей изобретения является повышение точности измерений упругих постоянных малопластичных металлов и сплавов при высоких температурах.

Поставленная задача решается за счет технических результатов, заключающихся в использовании дифференциальной схемы измерения длины образца, использовании четырехходовой оптической системы интерферометра продольных деформаций, восьмиходовой оптической системы интерферометра поперечных деформаций и реализации нагрева образца в его рабочем положении непосредственно до и во время проведения испытания. Это достигается тем, что устройство содержит основание с неподвижной плитой и подвижную плиту. Между плитами расположен исследуемый образец прямоугольного сечения с зеркально-полированными боковыми поверхностями. На основании установлены лазер, расположенные по ходу его излучения светоделитель и зеркало. Луч, отразившийся от светоделителя, направляется в интерферометр продольных деформаций, а луч, прошедший через светоделитель, направляется зеркалом в интерферометр поперечных деформаций. После интерферометров по ходу отраженных лучей рабочих плеч последовательно расположены два коллиматора, две диафрагмы, два фотоприемника и электронная схема обработки. С наружных сторон плит установлены электроды, подключенные к источнику постоянного тока, между одной из плит и соответствующим электродом помещен слой полупроводника. Установлена термопара, контактирующая с исследуемым образцом и связанная электрически с электронной схемой обработки. В оптической системе измерения продольной деформации образца использован четырехходовой интерферометр, включающий поляризованный светоделитель, делящий луч лазера на рабочий и эталонный лучи, четвертьволновую и поляризационную пластины и два ретроотражателя. При этом в рабочем плече интерферометра продольных деформаций расположены зеркально-полированная поверхность подвижной плиты, обращенная к неподвижной плите, и две зеркально-полированные наклонные под углом 45 градусов поверхности неподвижной плиты, центры которых находятся в одной плоскости с продольной осью исследуемого образца симметрично относительно нее. В оптической системе измерения поперечной деформации образца использован восьмиходовой интерферометр, включающий поляризованный светоделитель, делящий луч лазера на рабочий и эталонный лучи, две четвертьволновые пластины, возвратное зеркало, поляризационную пластину, большой и малый ретроотражатели и десять обводных зеркал для рабочего луча. Причем в рабочем плече интерферометра поперечных деформаций расположены четыре зеркально-полированные боковые поверхности исследуемого образца. Для получения более стабильного прогрева образца между второй плитой и вторым электродом также может быть помещен слой полупроводника.

На фиг. 1 изображена оптико-механическая схема устройства; на фиг. 2 - оптическая схема измерения продольной деформации исследуемого образца с использованием четырехходового интерферометра; на фиг. 3 - оптическая схема измерения поперечной деформации исследуемого образца с использованием восьмиходового интерферометра; на фиг. 4 - схема компенсации погрешностей, возникающих из-за просадки неподвижной плиты, за счет сохранения величины хода рабочего луча при использовании двух зеркально-полированных поверхностей неподвижной плиты, расположенных под углом 45 градусов, фиг. 5 - схема компенсации погрешностей, возникающих из-за возможного взаимного перекоса плит.

Устройство для определения упругих постоянных малопластичных металлов и сплавов при повышенной температуре содержит основание 1 с неподвижной плитой 2 и подвижную плиту 3. Между плитами 2 и 3 расположен исследуемый образец 4 прямоугольного сечения с зеркально-полированными боковыми поверхностями 5, 6, 7 и 8. На основании 1 установлены лазер 9, расположенные по ходу его излучения светоделитель 10 и зеркало 11. Луч, отразившийся от светоделителя 10, направляется в интерферометр 12 продольных деформаций. Луч, прошедший через светоделитель 10 и отразившийся от зеркала 11, направляется в интерферометр 13 поперечных деформаций. После интерферометров 12 и 13 по ходу отраженных лучей рабочих плеч последовательно расположены соответственно два коллиматора 14 и 15, две диафрагмы 16 и 17, два фотоприемника 18 и 19 и электронная схема обработки 20. С наружных сторон плит 2 и 3 установлены электроды 21 и 22, подключенные к источнику постоянного тока 23. Между одной из плит 2 и соответствующим электродом 22 помещен слой полупроводника 24. Установлена термопара 25, контактирующая с исследуемым образцом 4 и связанная электрически с электронной схемой обработки 20. Четырехходовой интерферометр 12 продольных деформаций включает поляризованный светоделитель 26, делящий луч лазера 9 на рабочий и эталонный лучи, два ретроотражателя 27 и 28, четвертьволновую пластину 29 и поляризационную пластину 30. При этом в рабочем плече интерферометра 12 продольных деформаций расположены зеркально-полированная поверхность 31 подвижной плиты 3, обращенная к неподвижной плите 2, и две зеркально-полированные наклонные под углом 45 градусов поверхности 32 и 33 неподвижной плиты 2, центры которых находятся в одной плоскости с продольной осью исследуемого образца 4 симметрично относительно нее.

Восьмиходовой интерферометр 13 поперечных деформаций включает поляризованный светоделитель 34, делящий луч лазера 9 на рабочий и эталонный лучи, две четвертьволновые пластины 35 и 36, возвратное зеркало 37, поляризационную пластину 38, большой 39 и малый 40 ретроотражатели и десять обводных зеркал 41, 42, 43 и 44 для рабочего луча. Причем в рабочем плече интерферометра 13 поперечных деформаций расположены четыре зеркально-полированные боковые поверхности 5, 6, 7, 8 исследуемого образца 4. Для получения более стабильного прогрева образца 4 между второй плитой 3 и вторым электродом 21 также может быть помещен слой полупроводника.

Устройство работает следующим образом.

Излучение лазера 9 делится светоделителем 10 на два пучка, один из которых, отразившийся от светоделителя 10, направляется в интерферометр 12 продольных деформаций, а другой, прошедший через светоделитель 10 и отразившийся от зеркала 11, направляется в интерферометр 13 поперечных деформаций. Продольная деформация образца 4 регистрируется с помощью четырехходового интерферометра 12. Поляризованный под углом 45 градусов луч лазера 9 делится поляризованным светоделителем 26 интерферометра 12 на рабочий и эталонный лучи. Рабочий луч, образуемый путем прохождения через наклонную поверхность поляризованного светоделителя 26, получает горизонтальную поляризацию, а отразившийся от наклонной поверхности эталонный луч - вертикальную поляризацию. Установленная по ходу рабочего луча четвертьволновая пластина 29 меняет поляризацию рабочего луча на круговую с направлением по часовой стрелке. С помощью зеркально-полированной поверхности 32 неподвижной плиты 2, расположенной под углом 45 градусов, рабочий луч направляется вдоль оси симметрии исследуемого образца на зеркально-полированную поверхность 31 подвижной плиты 3, а после отражения от последней обретает противоположное направление круговой поляризации и возвращается тем же путем на четвертьволновую пластину 29, пройдя которую приобретает вертикальную поляризацию. Далее рабочий луч отражается от наклонной поверхности поляризованного светоделителя 26 без изменения плоскости поляризации и направляется в ретроотражатель 28. После прохождения ретроотражателя 28 и отразившись от наклонной поверхности поляризованного светоделителя 26 рабочий луч снова проходит через четвертьволновую пластину 29 со сменой вертикальной поляризации на круговую с направлением против часовой стрелки. С помощью зеркально-полированной поверхности 33, расположенной под углом 45 градусов с другой стороны неподвижной плиты 2, рабочий луч снова направляется вдоль оси симметрии исследуемого образца на зеркально-полированную поверхность 31 подвижной плиты 3, а после отражения от последней обретает противоположное направление круговой поляризации и снова возвращается тем же путем на четвертьволновую пластину 29. Пройдя сквозь последнюю, рабочий луч приобретает горизонтальную поляризацию, проходит через наклонную поверхность поляризованного светоделителя 26 и совмещается с эталонным лучом, который направляется туда же ретроотражателем 27. Далее совмещенные эталонный и рабочий лучи проходят через поляризационную пластину 30, на которой плоскости поляризации лучей совмещаются, в результате чего происходит их интерференция.

Поперечная деформация образца 4 регистрируется с помощью восьмиходового интерферометра 13. Поляризованный под углом 45 градусов луч лазера 9 делится поляризованным светоделителем 34 интерферометра 13 на рабочий и эталонный лучи. Рабочий луч, образуемый путем прохождения через наклонную поверхность поляризованного светоделителя 34, получает горизонтальную поляризацию, а отразившийся от наклонной поверхности эталонный луч - вертикальную поляризацию. Установленная по ходу рабочего луча четвертьволновая пластина 35 меняет поляризацию рабочего луча на круговую с направлением по часовой стрелке. С помощью трех обводных зеркал 41 рабочий луч направляется на зеркально-полированную боковую поверхность 5 исследуемого образца 4. После отражения от зеркально-полированной боковой поверхности 5 рабочий луч обретает противоположное направление круговой поляризации и возвращается тем же путем на четвертьволновую пластину 35, пройдя которую приобретает вертикальную поляризацию. Далее рабочий луч отражается от наклонной поверхности поляризованного светоделителя 34 без изменения плоскости поляризации и направляется в большой ретроотражатель 39. После прохождения большого ретроотражателя 39 и отразившись от наклонной поверхности поляризованного светоделителя 34 рабочий луч снова проходит через четвертьволновую пластину 35 со сменой вертикальной поляризации на круговую с направлением против часовой стрелки. С помощью трех обводных зеркал 42 рабочий луч направляется на зеркально-полированную боковую поверхность 6 исследуемого образца 4, отразившись от которой, меняет направление круговой поляризации на противоположное и возвращается тем же путем на четвертьволновую пластину 35. Пройдя сквозь последнюю, рабочий луч приобретает горизонтальную поляризацию, проходит через наклонную поверхность поляризованного светоделителя 34 и, отразившись в малом ретроотражателе 40 без изменения плоскости поляризации, вновь проходит через наклонную поверхность поляризованного светоделителя 34 и через четвертьволновую пластину 35 со сменой горизонтальной поляризации на круговую с направлением по часовой стрелке. С помощью двух обводных зеркал 43 рабочий луч направляется на зеркально-полированную боковую поверхность 7 исследуемого образца 4, отразившись от которой, меняет направление круговой поляризации на противоположное и возвращается тем же путем на четвертьволновую пластину 35. Далее рабочий луч при прохождении четвертьволновой пластины 35 меняет круговую поляризацию на вертикальную и, отразившись от наклонной поверхности поляризованного светоделителя 34, направляется в большой ретроотражатель 39. После отражения в последнем без изменения плоскости поляризации рабочий луч направляется на наклонную поверхность поляризованного светоделителя 34, отразившись от которой, проходит через четвертьволновую пластину 35 со сменой вертикальной поляризации на круговую с направлением против часовой стрелки. С помощью двух обводных зеркал 44 рабочий луч направляется на зеркально-полированную боковую поверхность 8 исследуемого образца 4, отразившись от которой, меняет направление круговой поляризации на противоположное и возвращается тем же путем на четвертьволновую пластину 35. Пройдя сквозь последнюю, рабочий луч приобретает горизонтальную поляризацию, проходит через наклонную поверхность поляризованного светоделителя 34 и совмещается с эталонным лучом. Эталонный луч после отражения от наклонной поверхности поляризованного светоделителя 34, имея вертикальную поляризацию, направляется на возвратное зеркало 37 через четвертьволновую пластину 36. Отразившись от возвратного зеркала 37 и пройдя дважды четвертьволновую пластину 36, эталонный луч обретает горизонтальную поляризацию, благодаря чему проходит через наклонную поверхность поляризованного светоделителя 34 в большой ретроотражатель 39. Отразившись в большом ретроотражателе 39, эталонный луч без изменения плоскости поляризации вновь проходит через наклонную поверхность поляризованного светоделителя 34 и, отразившись от возвратного зеркала 37 и дважды пройдя четвертьволновую пластину 36, вновь обретает вертикальную поляризацию. Далее эталонный луч последовательно отражается от поверхности поляризованного светоделителя 34, в малом ретроотражателе 40 без изменения плоскости поляризации, снова от поверхности поляризованного светоделителя 34 и от возвратного зеркала 37, дважды пройдя четвертьволновую пластину 36. Сменив при прохождении последней плоскость поляризации на горизонтальную, эталонный луч проходит через наклонную поверхность поляризованного светоделителя 34 и, отразившись в большом ретроотражателе 39 без изменения плоскости поляризации, вновь проходит через наклонную поверхность поляризованного светоделителя 34 в сторону возвратного зеркала 37. Отразившись от возвратного зеркала 37 и при этом дважды пройдя четвертьволновую пластину 36, эталонный луч снова меняет плоскость поляризации на вертикальную, а после отражения от поверхности поляризованного светоделителя 34 совмещается с рабочим лучом. Совмещенные эталонный и рабочий лучи проходят через поляризационную пластину 38, на которой их плоскости поляризации совмещаются, в результате чего происходит их интерференция.

Счет переместившихся интерференционных линий производится с помощью последовательно расположенных после интерферометров 12 и 13 по ходу отраженных лучей рабочих плеч соответственно двух коллиматоров 14 и 15, двух диафрагм 16 и 17, двух фотоприемников 18 и 19 и электронной схемы обработки 20.

Перед испытанием исследуемый образец 4 прямоугольного сечения устанавливают между плитами 2 и 3, соблюдая перпендикулярность его зеркально-полированных боковых поверхностей 5, 6, 7 и 8 направлению лучей рабочего плеча интерферометра 13 поперечных деформаций. Далее задают предварительную нагрузку на образец 4. Пропускают постоянный электрический ток между электродами 21 и 22 через образец 4, плиты 2 и 3 и слой полупроводника 24. При прохождении электрического тока через слой полупроводника 24 выделяется тепло, благодаря которому происходит нагрев плиты 2 и соответственно образца 4.

В процессе испытания после нагрева исследуемого образца 4 его деформируют, непрерывно регистрируют температуру образца 4 с помощью термопары 25 и силу нагружения Р и ведут счет чисел пит интерференционных линий с помощью фотоприемников 18 и 19, а результаты измерений записывают и обрабатывают с помощью электронной схемы обработки 20, в качестве которой может быть использована ПЭВМ. По изменению интерференционных картин определяют деформации материала, а модуль упругости Е и коэффициент Пуассона μ определяют по формулам:

где P - сила нагружения;

n и m - числа считанных интерференционных линий соответственно в интерферометрах продольной и поперечной деформаций;

а - толщина образца между его зеркально-полированными боковыми поверхностями;

l и b - длина и ширина образца соответственно;

λ - длина волны источника когерентного монохроматического излучения.

Для получения более стабильного прогрева образца 4 между второй плитой 3 и вторым электродом 21 также помещают слой полупроводника.

Направление луча рабочего плеча интерферометра 12 продольных деформаций на зеркально-полированную поверхность 31 подвижной плиты 3 через предварительно-изготовленные на неподвижной плите 2 под углом 45 градусов зеркально-полированные поверхности 32 и 33, центры которых находятся в одной плоскости с продольной осью исследуемого образца симметрично относительно нее, позволяет реализовать дифференциальную схему измерения длины образца 4 и, таким образом, автоматически компенсировать погрешности Δl, возникающие из-за просадки неподвижной плиты 2, за счет сохранения величины хода луча рабочего плеча, а также компенсировать погрешность Δl₁ взаимного перекоса плит. Кроме того, использование четырехходового интерферометра для измерения продольной деформации и восьмиходового интерферометра для измерения поперечной деформации позволяет увеличить чувствительность устройства и соответственно повысить точность измерения упругих постоянных, а также устранить погрешности от возможного бокового смещения образца при его нагружении.

Таким образом, описанное устройство благодаря использованию дифференциальной схемы измерения длины образца, использованию четырехходового интерферометра для измерения продольной деформации и восьмиходового интерферометра для измерения поперечной деформации, реализации нагрева образца в его рабочем положении непосредственно перед проведением испытания позволяет реализовать определение упругих постоянных материала малопластичных металлов и сплавов при высоких температурах с высокой точностью.

Изобретение относится к исследованию прочностных свойств материалов оптическими средствами измерения путем приложения к ним сжимающих статических нагрузок. Устройство содержит основание с неподвижной плитой и подвижную плиту. На основании установлены лазер, светоделитель и зеркало, с помощью которых излучение лазера делится на два пучка, направляемых в интерферометры продольных и поперечных деформаций. Четырехходовой интерферометр продольных деформаций включает в себя поляризованный светоделитель, два ретроотражателя, четвертьволновую и поляризационную пластины. В его рабочем плече расположены зеркально-полированная поверхность подвижной плиты, обращенная к неподвижной плите, и две зеркально-полированные наклонные под углом 45 градусов поверхности неподвижной плиты, центры которых находятся в одной плоскости с продольной осью исследуемого образца симметрично относительно нее. Восьмиходовой интерферометр поперечных деформаций включает в себя поляризованный светоделитель, четвертьволновую и поляризационную пластины, большой и малый ретроотражатели и десять обводных зеркал, направляющих луч рабочего плеча на четыре зеркально-полированные боковые поверхности исследуемого образца прямоугольного сечения. С наружных сторон плит установлены электроды, подключенные к источнику постоянного тока. Между одной из плит и соответствующим электродом помещен слой полупроводника. Слой полупроводника может быть также помещен между второй плитой и вторым электродом. Образец устанавливают между плитами, задают предварительную нагрузку, пропускают электрический ток между электродами. После нагрева образца его деформируют, непрерывно регистрируют силу нагружения и температуру образца с помощью термопары. Счет переместившихся интерференционных линий производится с помощью последовательно расположенных после интерферометров по ходу отраженных лучей рабочих плеч соответственно двух коллиматоров, двух диафрагм, двух фотоприемников и электронной схемы обработки. Технический результат - повышение точности измерений упругих постоянных малопластичных металлов и сплавов при высоких температурах 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для определения упругих постоянных малопластичных металлов и сплавов при повышенной температуре, содержащее основание с неподвижной плитой и подвижную плиту, расположенный между плитами исследуемый образец прямоугольного сечения с зеркально-полированными боковыми поверхностями, установленные на основании лазер, расположенные по ходу его излучения светоделитель и зеркало, интерферометры продольных и поперечных деформаций и расположенные после интерферометров по ходу отраженных лучей рабочих плеч последовательно два коллиматора, две диафрагмы, два фотоприемника и электронную схему обработки, причем для направления луча лазера на зеркально-полированные боковые поверхности исследуемого образца в рабочем плече интерферометра поперечных деформаций расположены обводные зеркала, отличающееся тем, что с наружных сторон плит установлены электроды, подключенные к источнику постоянного тока, между одной из плит и соответствующим электродом помещен слой полупроводника, установлена термопара, контактирующая с исследуемым образцом и связанная электрически с электронной схемой обработки, в оптической системе измерения продольной деформации образца использован четырехходовой интерферометр, включающий поляризованный светоделитель, делящий луч лазера на рабочий и эталонный лучи, два ретроотражателя, четвертьволновую и поляризационную пластины, в оптической системе измерения поперечной деформации образца использован восьмиходовой интерферометр, включающий поляризованный светоделитель, делящий луч лазера на рабочий и эталонный лучи, две четвертьволновые пластины, возвратное зеркало, поляризационную пластину, большой и малый ретроотражатели и десять обводных зеркал для направления рабочего луча на каждую из четырех зеркально-полированных боковых поверхностей исследуемого образца, а в рабочем плече интерферометра продольных деформаций расположены зеркально-полированная поверхность подвижной плиты, обращенная к неподвижной плите, и две зеркально-полированные наклонные под углом 45 градусов поверхности неподвижной плиты, центры которых находятся в одной плоскости с продольной осью исследуемого образца симметрично относительно нее.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что между второй плитой и вторым электродом также помещен слой полупроводника.