Способ определения малых линейных перемещений объектов Советский патент 1983 года по МПК G01C11/00 

СО СО

ю

Изобретение относится к инженерной фотограмметрии, в частности к фотограмметрическому определению малых линейных перемещений при исследовании формоизменений поверхности испытательных конструкций, материала, моделей, резервуаров, силосов и пр., и может найти применение при высокоточном исследовании различных испытательных моделей, материалов, конструкций на точность, прочность, упругость, прогиб, термостойкость и т. п.

Известен способ получения голографических интерферограмм небольших поверхностей путем экспонирования на одну голограмму волнового фронта до и после перемещения с последующим восстановлением изображения объекта и оценкой перемещения по интерференционным фотоизолиниям (муару), возникающим на изображении 1.

Недостаток данного способа - резкое снижение светосилы отраженного от объекта света при увеличении отстояния съемки, из-за чего голографировать можно лищь неудаленные и ограниченные по размеру участки поверхности. Оценка перемещений по светоизолиниям в голографии полностью не рещена вследствие отсутствия фиксированной точки при съемке и несовпадения изображения с эмульсионной плоскостью. Интерференционная картина в голографии изменяется при рассматривании изображения через разные участки голограммы.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ определения малых линейных перемещений объектов путем нанесения растра на поверхность, а затем экспонирования объекта до и после перемещения на одну и ту же фотапластину. Величину малых линейных перемещений оценивают по муаровым изолиниям 2.

Известный способ представляет трудности в механическом нанесении растра на рельефную пространственную и большей площади поверхность и не позволяет избежать контакта с объектом, причем измерение перемещений возможно только по одной координате (по отстоянию съемки). Невозможно практически измерить очень малые перемещения и нанести на поверхность растр с очень малым шагом. На измеряемом снимке трудно найти начальную изолинию муара и порядок светоизолиний в измеряемой точке, вследствие чего точность способа небольшая.

Цель изобретения - повышение точности измерения и упрощение способа.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения малых линейных перемещений объектов, включаюц ему нанесение на поверхность объекта растра, последующее полуэкспонирование объекта до и после перемещения с получением

двойного изображения объекта на один и тот же фотоматериал и оценку перемещений по полученным на снимке фотоизолиниям, растр образуют на поверхности объекта путем проектирования на него когерентного светового пучка, расходящегося из точки, совпадающей с главной точкой объектива съемочной камеры, а при обработке на компараторе измеряют заложения светлых и .темных фотоизолиний, а также отстояния фотоизолиний от центра снимка, при этом отметки исходной фотоизолинии вычисляют по формуле:

У1

N

im

f4 in .

где N -отметка средней фотоизолинии; Я -длина волны когерентного света; -фокусное расстояние камеры;

t,,t njtp-заложения темных и светлых фотоизолиний по мере удаления их от центра снимка;.

А)1,1 /г-отстояния фотоизолиний от центра снимка.

Пространственное линейное перемещение распределяют по координатным осям с центром координат в главной точке объектива съемочной камеры.

Двойное полуэкспонирование производят на фотоэмульсию, чувствительную к данному когерентному свету, с разрешением 2000 ЛИН/ММ и более.

На фиг. 1 показана принципиальная схема реализации предлагаемого способа; на фиг. 2 - фотоснимок с получившимися на нем при съемке и проявлении фотоизолиниями,

На фиг. 1 обозначены фотокамера 1, объектив 2, фокальная плоскость камеры (плоскость снимка) 3, когерентный излучатель 4, отклоняющее свет зеркало 5, фокусирующая на зеркало пучок света линза 6, поверхность объектива 7, фотоизолинии 8 на объекте фотоизолинии 9 на снимке.

Технология способа заключается в следующем.

Съемочную камеру 1 и когерентный излучатель 4 монтируют так, чтобы главная точка объектива и точка излучения совпадали или находились как можно ближе друг к другу,.чтобы их практически можно было считать совпадающими. Это делают с помощью зеркала 5, вмонтированного в оправу объектива 2, и линзы 6. Совпадение главной точки объектива и точки излучения - необходимое условие при дальнейшей обработке снимка. Фотокамеру 1 устанавливают примерно нормально к испытуемой поверхности объекта 7. Производят две полуэкспозиции освещенного объекта расходящимся из точки 5 когерентным светом до и после его перемещения на один и тот же снимок 3. Расходящийся пучок света создается линзой 6, которая фокусирует точку излучения на отклоняющее зеркало 5. Экспонирование выполняют на эмульсию с разрешением, соизмеримым с длиной волны когерентного света, и чувствительную к нему. При проявлении на снимке появятся фотоизолинии 9, характеризующие перемещения. В известных способах большую трудность вызывает расшифровка (или нахождение отметок) фотоизолиний. В предлагаемом способе эта задача решается аналитически. Для определения конкретной фотоизолинии на снимке выбирают три соседние темные и между ними две светлые фотоизолинии (фиг. 1), так, чтобы их заложения были на одной прямой, направленной к главной точке снимка. На компараторе измеряют заложения и отстояния этих фотоизолиний от центра снимка. Полученные данные подставляют в формулу (I) и вычисляют отметку средней темной из этих фотоизолиний. Формула (1) выведена при анализе пространственных световых гиперболоидов, возникающих при интерференции света от двух когерентных источников. Найдя пространственное смещение точек (отметку) фотоизолинии, по разнице двух последних обратных компонент (выражение а) в формуле (1) определяют направление возрастания или убывания отметок фотоизолиний. Если первая обратная компонента больше второй, то отметки увеличиваются к центру снимка, и наоборот, если первая обратная компонента меньще второй, то отметки уменьшаются к центру снимка. Все-остальные фотоизолинии определяют последовательным прибавлением или вычитанием длины волны когерентного света (сечение фотоизолиний). -Таким образом, по всему полю изображения объекта на снимке получают пространственное смещение поверхности при деформации в фотоизолиниях, подобное изображению рельефа на топографической карте в горизонталях. Пространственное смещение любой точки поверхности объекта распределяют по координатным осям с началом координат в главной точке объектива камеры. Для этого на снимке производят дополнительные измерения заложений и отстояний одной тем-, ной и двух светль1х смежных фотоизолиний, ориентированных к центру снимка О, между которыми лежит конкретно выбранная точка (например, на фиг. 2 точка 1). Находят У угол между вектором перемещения и плоскостью снимка iarclg, 2: у arccos f.f/ imin , где - берут из формулы (1); i, tf)-заложения темных и светлых фотоизолиний, между которыми находится точка; ff,,m отстояния этих фотоизолиний от центра снимка; ti - отстояние точки от центра снимка. Знак перед . вторым членом формулы определяют из анализа фотоизолиний. Если порядок фотоизолиний увеличивается к центру снимка, знак минус, если порядок фотоизолиний уменьшается к центру снимка, знак плюс. Затем находят угол разворота вектора перемешения (или заложения фотоизолиний в плоскости снимка Jf- arctgi , f3) где ixi проекция заложения фотоизолиний, между которыми находится точка, на координатные оси снимка. После нахождения углов ориентации вектора перемещения его распределяют по координатным осям: по оси Y Пу Ыг ;. .„ по оси X Пас N(-cosrx; по оси Z П2 Ni coslT sinJif, где N -величина пространственного смещения точки, определенная по фотоизолиниям на снимке. Пример 1. Для проверки способа был взят плоский предмет, который укрепили на пространственном координатомере, позволявший искусственно перемешать предмет в пространстве и определять величину перемещения по шкалам. Такой предмет экспонировался в когерентном свете дважды расходящимся от объектива камеры пучка до и после перемещения на одну и ту же фотопластину «МИКРАТ-ЛОИ-2. На снимке (фиг. 2) после проявления появились фотоизолинии, параметры которых измерялись на компараторе с точностью измерения 0,001 мм. Около точки А на снимке выбирались три темных и две находящиеся между ними светлые изолинии. Измерялись заложения и отстояния этих фотоизолиний, ориентированные на главную точку снимка 0. Получили, мм: Заложения Отстояния Ео 53,585 to 0,705 ,„ 54,290 tm 0,710 tn 0,700 f 300 f 55,000 п 55,700 tp 0,700 Л 0,0006328 р 56,400 Эти данные подставляют в формулу (1) вычисляют отметку средней из трех выбранных темных фотонзолиний 0,5342294-0,5156054 0,018624. В этой отметке содержится )/ длин волн. Порядок темных фотоизоли.ний половинам длин волн, а светлых - длинам волн. Уточняют порядок искомой фотоизолинии, который равен 29,5 длин волн. После уточнения порядка получилиNa 29,5 0,0006328 0,0186676. Полученная Отметка теперь кратна длине волны света, ее пишут на фотоизолинии. При вычислении было замечено, что первая обратная компонента (выражение а) в формуле (1) меньше второй, поэтому отметки увеличиваются к центру снимка. Все остальные фотоизолинии определяют последовательным прибавлением (вычитанием) длины волны света. Пространственную величину перемещения, например точки 1 N 0,0106412 ,6 мк, распределяют по координатным осям. На снимке измеряют дополнительно заложения и отстояния одной темной и двух светлых фотоизолиний около точки С, между которыми находится точка I, ориентированных к центру снимка. Получают, мм: Остояние точЗаложенияОтстояния ки 1 от точки О tm 0,850 t 39,600 tn 0.800 Проекции за ложений фотоизолиннй ь точке 1 на координатныеоси снимка tx 10,10 Ь 46.12 Значение е берут из формулы (i). Из выражения (2) находят 70°27 -f + 7°29 77°56 Из выражения (3) находят 12°21 Подставляя эти данные в формулы .(4) получают, мк: по отстоянию У Пу 0,0106412-0,97791 0,104061-10,4 по оси X Пх 0,0106412-0,20905 0,97686 0,002173 2,2 по оси Z Пг 0,0106412-0,20905 0,21388 0,0004757-0,5 Полученные величины перемещений про верялись по шкалам пространственного координатомера. Результаты совпадали. Пример 2. На том же снимке выбирали произвольно еще три темные и две светлые изолинии около точки В. Измеряли заложе ния и отстояния их, ориентированные на главную точку снимка. Получили, мм: Отстояния Заложения Ь 83,596 to 0,550 lm 84,140 tm 0,556 I 84,700tn 0,550 f 300 е« 84,250 tp 0,550 Л 0,0006328 IP 85,800 Эти данные подставляют в формулу (1) вычисляют отметку средней из трех выбранных темных фотоизолиний Nj с-а 0,5258672-0,4916244 0,0342430. В этой отметке содержится уд 54,1 длин волн. Уточняют порядок искомой фотоизолинии, который равен 54,5 длин волн. -После уточнения порядкаЫв 54,5 X X 0,0006328 0,0344876. Полученную отметку пишут на средней фотоизолинии она совпала с от|Меткой этой фотоизолинии, которую получили из первого примера, вычисляя отметки фотоизолиний, отправляясь от точки А., Пространственная величина смещения 0,0234136 23,4 мк. точки 2 на CHHMKeNj Ее распределяют по координатным осям. На снимке дополнительно измеряют заожения отстояния одной темной и двух белых фотоизолиний около точки Д, между которыми находится точка 2, ориентированых к центру снимка. Получили, мм: Отстояния Заложения Отстояние точ1« 62,650 tm 0,550 ки 2 от центI 63,200 tn 0,600pa О h 73,000 tn 63,800Проекции заложений фотоизолиний в точке 2 на координатныеоси снимка tx 63,00 tz 2,00 Значение Е берут из формулы (1). Из выражения (2) находят T 70°57 + 13° 41 84°38 Из выражения (3) находят 9f- 1°49 Подставляя эти данные в формулы (4), получают, мк поосиУ nv 0,0234136-0,99562 0,023311 23,3 по оси X пх 0,0234136-0,09353-0,9995 0,0021887 2,2 поосиг п, 0,0234136 0,09353 0,0317 0,0000694 0,07 В известных способах распределение величины перемещений на три пространственные координаты невозможно. Предлагаемый способ высокоточен, нагляден, прост в применении. Точность измере1ИЯ согласно предлагаемому способу (т ±0,0006 мм) по сравнению с прототипом (, мм) увеличивается в 150 раз за счет применения при съемке когерентного света, который является световым растром с шагом равным длине волн, фиксация в пространстве точки съемки, что позволило расшифровать фотоизолинии и более тщательного измерения снимка на компараторе.

Основным преимуществом предлагаемого способа является бесконтактное измерение недоступных или исчезающих объектов, ибо световой растр .проектируется на объект из точки объектива расходящимся пучком когерентного света и маркировка точек на поверхности объекта не требуется.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАЛЫХ ЛИНЕЙНЫХ П ЁРЕМЕЩЕНИЙ ОБЪЕКТОВ, включающий нанесение на поверхность объекта растра, последующее полуэкспонирование объекта до и после перемещения с получением двойного изображения объекта на один и тот же фотоматериал и оценку перемещений по полученным на снимке фотоизолиниям, отличающийся тем, что, с целью повыщения точности измерения и упрощения способа, растр, образуют на поверхности объекта путем проектирования на него когерентного светового пучка, расходящегося из точки, совпадающей с главной точкой объектива съемочной камеры, а при обработке на компараторе измеряют заложения светлых и темных фотоизолиний, а также отстояния фотоизолиний от центра снимка, при этом отметки исходной фотоизолинии вычисляют по формуле Л. ±Я Я е-«Я/ Xл. 4-Л f4Mm где К -отметка исходной фотоизолинии; /Л где К -отметка исходной фотоизолинии; ппына onnuui т г гопои-ш/лг-/- - длина волны когерентного света; f - фокусное расстояние камеры; t jty -заложе.я темных и светлых фотоизолиний по мере удаления их от центра снимка; V/iifu n,tp-отстояния фотоизолиний от центра снимка.

г,2