Способ определения деформаций объекта и устройство для его осуществления (его варианты) Советский патент 1986 года по МПК G01B11/16 

Изобретение относится к экспери- ментальным методам исследования деформаций в деталях машин и элементах конструкций.

Цель изобретения - повьппение точности и расширение пределов опреде- ления деформации за счет увеличения ширины полосы муаровой картины, цо- вьшения контрастности полос,, введе- ния подвижной/. измерения.

На фиг, 1 и 2 приведены схемы устройств для ре йзации способа (варианты),

Устройство по первому варианту (фиг,1) содержит источник Т коге- рентного излучения - лазер, две тол- :стые плоекопараллельные пластины, выполненные в виде сосудов 2 и 3 с первыми полупрозрачными стенками 4 и 5 и заполненные прозрачной жидкостью 6 с показателем преломления, равным по величине показателю преломления первых полупрозрачных стенок 4 и 5, вторые юстировочнью зеркальные стенки 7 и 8, расположенные внутри сосудов 2.и 3, параллельно первым полупрозрачным граням 4 и 5, регулировочные микрови:нты 9 и 10, поляризационное приспособление 11, поворачивающее плоскость поляризации в пучке света на 90° относительно второго пучка, компенсатор 12 разности оптических путей,, выравнивающий оптические пути между двзгмя пучками (расположенными на расстоянии q друг от друга), фотопластинку 13 с зарегистрированной совмещенной спекл-фотографией и экран 14 наблюдения и считьгаания информации.

Оптический способ определения деформации объекта реализуют на первой оптической схеме (фиг,1) следующим образом.

Объект освещают когерентным светом, регистрируют спекл-фотографию объекта до и после его деформирования на одну фотопластинку 13, сканируют полученную совмещенную спекл- фотографию первым узким пучком когерентного света, который образуется после падения пучка света из источника 1 когерентного излучения под углом 45 на полупрозрачнзда стенку 4, При этом часть излучения отражается, образуя первьй пучок света, ксторый сканирует фотопластинку 13 с совмещенной спекл-фотографией, Другая часть излучения преломляется

на стенке 4 и отражается от юстиро- вочной зеркальной стенки 7, После вторичного преломления на выходе из стенки 4 одновременно с первым обра- зуется второй пучок, параллельный первому пучку и расположенньш на расстоянии а от-первого. Этот пучок после прохождения через поляризационное приспособление 11, которое поворачивает плоскость поляризации в этом пучке на 90° относительно плоскости поляризации в первом пучке, сканирует одновременно с первым пучком фотопластинку 13 с совмещен- 5 ной спекл-фотографией. Регулируя с помощью микровинта 9 расстояние между светоделительной стенкой 4 и зеркальной 7, получают различное расстояние а между пучками, Плоскопарал- 0 лельная пластина выполнена в виде сосуда 2, заполненного жидкостью 6с показателем преломления, равным показателю преломления полупрозрачной стенки 5 того, чтобы избавиться 5 от вторичных отражений на ее поверхностях. Каждый пучок после сканирования фотопластинки 13, дифрагируя на зарегистрированной на ней совмещенной спекл-фотографии, направляется 30 на плоскопараллельнзпо пластину 3, вы- полненную в виде сосуда, где с помощью полупрозрачной стенки 5 и юстируемой микровинтом 10 зеркальной стенки 8 совмещают оба пучка. Кроме 35 того, один из пучков света после фотопластинки 13 проходит компенсатор 12, не.обходимый для выравнивания оптических путей от фотопластинки до экрана 14, Совмещенные пучки направ- 40 ляются на экран 14 наблюдения и счи- тьшания информации. Так как пл.оскос- ти поляризации в пучках взаимно ортогональны, то суммарная интенсивность равна сумме интенсивностей каждого 45 пучка, т,е, возникает муаровая картина полос, но без интерференции между пучками, пр.и исключении которой муаровые полосы имеют меньшую зернистость, а следовательно, более рысо- 50 кую контрастность. Муаровую картину регистрируют и по ней определяют деформации. Период муаровых по - лос определяется соотношени - ем

55

Р Р

л г

j Р2з1п2о1+(Р COSol-Pj )

(1)

где Р, и Р - периоды полос первого н второго пучков соот- ветстйенно; fV - угол между полосами

Юнга.

Угол наклона Ч муаровых полос относительно одной из двух систем полос Юнга, совмещение которых образует муаровую картину, определяется соотношением

Р, sina- . + (P c cFP Связь между смещением Р| и. периодом полос Юнга имеет вид

f -

.i F

(3)

где к

л - длина волны излучения при восстановлении спекл-фото- графии; р. - смещение в исследуемой i-точ ке; . L - расстояние от спекл-фотографии до экрана; М - увеличение при регистрации

спекл-фотографии; р.- период полос Юнга для иссле дуемой i-точки.

Используя выражения (1) и (3) для разности смещений в двух соседних точках получим выражение

,-г,

к

(4)

Проекция разности смещений на направление между двумя исследуемыми точками ( ) И ортогонально ( uf ) к нему будут иметь вид

Л1, й1-сов0 ; Al,Al-sin6 , (5)

где в - .угол наклона муаровых полос относительно направления .между двумя исследуемыми точками.

Следовательно, измеряя расстояние между пучками, период полос муара и их угол наклона относительно направления между двумя исследуемыми точками определяют величину компоненты деформации вдоль этого направления и величину угла сдвига относительно этого же направления.

Изменяя направление базы на ортогональное, аналогично определяют компоненты деформаций вдоль этого на-

и

правления. Объединение этих результа- тон дает все компоненты тензора деформаций для плоской задачи,

Рассмотренное первое устройство 5 не позволяет производить измерения деформаций при базах меньших диаметра пучка.

Устройство по второму варианту (фиг.2) содержит источник 1 излуче- 10 .ния, две толстые плбскопараллельные пластины 15 и 16, каждая из которых выполнена в виде двух попарно-соединенных клиньев 17-20, каждый из кото-с рых изготовлен из одноосного кристал- 15.ла (например, кальций или нитрат натрия), вырезанных под углом 45 . к оптической оси, с параллельными главными сечениями, к входному клину 17 приклеен поляризатор 21 с плос- 20 костью пропускания 45 к главному сечению плоскопараллельной пластины, две оправы 22 и 23, имеющие возможность синхронного вращения вокруг . оси, совпадающей с одним из двух об- 25 разовавшихся лучей, регулировочный микровинт 24 и смещающий узел 25, с помощью которых синхронно меняется толщина обеих плоскопараллельных пластин, фотопластинку 26 и экран 27.

Способ определения деформации объекта, реализованный на втором устройстве, осуществляется следующим образом.

Объект освещают когерентным све35 том, регистрируют спекл-фотографию объекта до и после его деформирования на одну фотопластинку 26, сканируют полученную совмещенную спекл- фотографию первым узким пучком коге 0 рентного света, который образуется гйсле падения пучка света из источника 1 когерентного излучения нормально на поверхность поляризатора 21 ,и далее на плоскопараллельную пласти45 ну 15 и распадения там за счет двулучепреломления линейно поляризованного излучения на два пучка с взаимно ортогональными плоскостями поляризации, которые распространя50 ются под углом друг к другу. После . выхода из пластины 15 первый пучок сканирует фотопластинку 26. Второй пучок после выхода из пластины 15 также сканирует фотопластинку 26 на

55 расстоянии а от первого пучка. Расстояние а, зависящее как от толщины плоскопараллельной пластины, так и угла расхождения между пучками в

двулучепреломляющей пластине 15, регулируется микровинтом 24 и смещающим узлом 25 за счет сдвига оптических клиньев 17-20 относительно друг друга вдоль смежных граней. Оба пучка, проходя фотопластинку 26 со спекл-фотографией, дифрагируют на зарегистрированной совмещенной спекл- структуре. Затем их совмещают с помощью плоскопараллельной пластины 16 и направляют на экран 27. Муаровую картину регистрируют и по ней определяют деформацию между исследуемыми точкам объекта, зарегистрированного на спекл-фотографии, как описано в первом варианте.

При необходимости выбрать другое направление расхождения между пучками на спекл-фотографии относительно одного из пучков плоскопараллельные пластины 15 и 16 могут быть синхронно повернуты в оправах 22 и 23 вокру оси, совпадающей с этим пучком. Б этом случае второй пучок опишет окружность определенного радиуса вокруг первого пучка при полном обороте оправ 22 и 23. Так как поляриза- .тор 21 приклеен к оптическому клину 17, то при вращении относительная ориентация плоскости пропускания поляризатора 21 и пластины 15 не изменяется.

Использование данного способа и устройств для его осуществления позволяет значительно повысить точност за счет .увеличения ширины полосы,

об

разовавшейся муаровой картины, повышения контрастности полос, так как наложение двух картин полос Юнга происходит по интенсивности, а не по амплитуде, и автоматического исключения смещения объекта как .целого увеличить пределы измерения, так как уже неразрешимые полосы Юнга, сравнимые с размером спекла, образуют . муаровую картину с разрешимой ширино полосы.

Пределы измерений увеличиваются также за счет введения изменяемого расстояния между пучками при измерении деформаций.

Формула изобретения

1. Способ определения деформаций объекта, заключающийся в том, что объект освещают когерентным светом, регистрируют спекл-фотографию объек15

и гь20

25

40

, й

та до и после его деформирования на одну фотопластину, сканируют Полученную совмещенную спекл-фотографию узким пучком когерентного света и по полученному изображению определяют деформацию, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения пределов определения, одновременно с первым пучком скани- 10 РУют совмещенную спекл-фотографию вторым, параллельным первому, узким пучком когерентного света, плоскость поляризации которого перпендикулярна плоскости поляризации первого пучка, оба пучка совмещают, регистрируют муаровую картину, по которой определяют деформацию объекта.

2.Устройство для определения деформаций объекта, содержащее оптически связанные источник когерентного излучения, две толстые плоскопараллельные пластины, установленные параллельно, помещенный между ними компенсатор оптической разности хода и экран наблюдения, отличающееся тем, что. С целью повьшге- ния точности определения деформаций, толстые плоскопараллельные пластины выполнены каждая в вид,е сосуда с плоскими стенками, первая из которых полупрозрачна, а йторая имеет зеркальную отражающую внутреннюю поверхность, и в котором помещена прозрачная жидкость, имеющая показатель преломления, равный по величине показателю преломления материала первой полупрозрачной стенки, а устройство снабжено поляризационным приспособлением, установленным между пластинами.

3.Устройство для определения деформаций объекта, содержащее оптически связанные источник когерентного излучения, две толстые плоскопараллельные пластины, установленные параллельно, и экран наблюдения, отличающееся тем, что,

с целью повышения точности определения деформаций, толстые плоскопараллельные пластины установлены с возможностью синхронного вращения вокруг общей оси, каждая из них выполнена в виде двух соединенных клиньев, каждый из которых изготовлен из одноосного кристалла,,а устройство снабжено поляризатором, закрепленным на входной поверхности пластины со стороны источника излучения.

30

50

55

/«

ФУ8. 7

Изобретение относится к области экспериментальных методов исследования деформаций в деталях машин и элементах конструкций. Оно позволяет повысить точность и расширить пределы определения деформац.ий. Для этого в способе одновременно с первым пучком сканируют совмещенную спекл-фотографию вторым, параллельным первому, узким пучком когерентного света, плоскость поляризации которого перпендикулярна плоскости поляризации первого пучка, оба пучка совмещают, регистрируют муаровую картину, по которой определяют деформацию объекта. Способ реализуется двумя устройствами. В первом толстые плоскопа- раллельные пластины выполнены каждая в виде сосуда с плоскими стенками, первая из которых полупрозрачна, а вторая имеет зеркальную отражающую внутреннюю поверхность, и в котором помещена прозрачная жидкость, имеющая показатель преломления, равный по величине показателю преломления материала первой полупрозрачной стенки. Во втором устройстве толстые плоскопараллельные пластины установлены с возможностью синхронного вращения вокруг общей оси, каждая из них выполнена в виде двух соединенных клиньев, каждьй из которых изготовлен из одноосного кристалла. 3 с.п.ф-лы, 2 ил.. с е (Л ю iib Од 4ib QD

у.

ie

75

2В

20 X 27

у.

25

Редактор А.Долинич

Составитель Б.Евстратов

Техред Л.Олейник Корректор О,Луговая

Заказ 4110/38 Тираж 670Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР.

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб-., д. 4/3

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная 4

Эе/г. ,2