Голографический способ определения изменения состояния объекта Советский патент 1993 года по МПК G01B11/16 

Изобретение относится к голографиче- ской интерферометрии и может быть использовано для измерений деформаций тонкостенных оболочек при простом и комбинированном нагружении в научно-исследовательских и производственных лабораториях и цехах.

Необходимость L способе определения перемещений точек поверхности тонкостенных оболочек вызвана широким использованием в технике неоднородно нагруженных облегченных тонкостенных оболочек конструкций, чувствительных к отклонению начальной формы от идеальной. Сложная форма прогибов не позволяет использовать для их анализа существующие голографические измерительные комплексы и способы, которые не дают информации о направлении перемещений. Кроме того, в силу нелинейности деформирования тонкостенных оболочек и их податливости исследование необходимо проводить в широком диапазоне нагрузок (от нуля до разрушения), придавая при этом малые фиксированные приращения нагрузки. Способ должен быть пригоден для анализа различных по форме и размерам оболочек. Сложность расшифровки голографических интерферог рамм и анализа полей перемещений требу ет автоматизации обработки и хранени

VI

со со

СА)

измеряемых величин. Поля перемещений таких конструкций имеют сложную форму даже в идеальном случае. Анализ же реально используемых в промышленности оболочек, имеющих технологические несовершенства, представляет собой сложную, до сих пор не исследованную актуальную задачу, которая не решается традиционными методами и способами.

Известен способ голографической ин- терферометрии, согласно которому с целью определения направления перемещений объекта регистрирующие пластины перемещаются между экспозициями со скоростью

V

Яt 8 sin a

где Я-длина волны излучения;

t - время экспозиции;

а - полуугол между предметным и опорным пучками для произведения записи голограмм на различных участках регистрирующих пластин.

При восстановлении изображения регистрирующие пластины смещают относительно друг друга таким образом, чтобы запись от первого экспонирования совпадала с записью от второго экспонирования и по полученным полосам судят о движении и деформации исследуемого объекта. Недостатком данного способа является то, что во время голографирования необходимо перемещать регистрирующие пластины. Это мо- жет отрицательно сказаться на точности эксперимента за счет дополнительных вибраций, а также на простоте и удобстве проведения его за счет возможных помех на пути луча лазера..

Известно приспособление для опреде- ления знака нормальных перемещений к носителю голографических интерферог- рамм. Приспособление применяется следу- ющим образом. Планку измерительного элемента приводят в механический контакт с исследуемым объектом. Изображение объекта планки записывают на голограмму, производят нагружение объекта и вновь за- писывают изображения объекта и планки на ту же голограмму и по наличию или отсутствию интерференционной картины на планке судят о знаке точечного нормального перемещения объекта. При наличии интер- ференционной картины на планке судят о нормальных перемещениях,направленных в сторону к наблюдателю, при отсутствии ее - от наблюдателя. Недостатком данного устройства является то, что планка измери

0 5

0

5

0 5 0

5 0 5

тельного элемента закрывает часть поверхности исследуемого объекта, делая невозможным полное его телеграфирование, загромождает голографический стол, не дает численного значения перемещения. Кроме того, значительную сложность при применении на практике данного устройства представляет то, что трудно установить контакт без усилия между планкой измерительного элемента и поверхностью исследу- емого объекта. Это отрицательно сказывается на точности эксперимента.

Наиболее близким к заявляемому является метод двух экспозиций, заключающийся в последовательном экспонировании на один и тот же светочувствительный слой двух голограмм одного объекта в разных его состояниях. Обе волны восстанавливают одновременно, получая таким образом интер- ферограмму,соответствующую изменениям, происходящим с объектом за время между двумя экспозициями.

Для получения информации по интер- ферограмме о перемещениях точек поверхности объекта, необходимо знать одну точку поверхности с нулевым перемещением, относительно которой по интерференционной картине можно судить о величине перемещений других точек этого объекта. Для получения информации о поведении исследуемого объекта при высоких значениях нагрузки данный метод осуществляют на каждом шагенагружения. Недостатком данного метода является то, что проекция вектора смещения определяется с точностью до знака. Поэтому при получении количественной информации по интерферограмме о перемещениях точек поверхности объекта возникает проблема однозначности расшифровки. В.итоге получают решение, достоверное по модулю, но неопределенное по знаку. Поэтому во избежание ошибочных результатов из-за неопределенности знака данный способ можно реализовать лишь в случае несложной интерференционной картины деформированного объекта: если нет точек резкого изменения направления деформаций и возможно точное прогнозирование положения поверхности относительно точки с нулевым перемещением. Для тонкостенных оболочек, имеющих значительные случайно сформированные начальные геометрические несовершенства и весьма сложную форму волнообразования под действием нагрузки, интерференционная картина носит сложный и непредсказуемый характер. При этом имеются точки с резким изменением направления деформаций (изменения знака деформаций на обратный), т.е. такие точки,где номера полос

на интерференционной картине принимают экстремальные значения.

Наличие на поверхности объекта участков в которых номера полос принимают экстремальные значения, приводит к неод- нозначности определения порядков полос, а следовательно, и перемещений по всей поверхности объекта. В таких случаях знание лишь одной точки с нулевым перемеще- нием является недостаточным. Следовательно, совокупность факторов,таких как наличие точек, где деформация меняет свой знак и отсутствие априорной достоверной информации вообще о знаке вектора перемещения в этих точках при сложной интерференционной картине делает данный метод несостоятельным для анализа объектов типа тонкостенных оболочек.

Кроме того, для получения информации об абсолютной величине деформаций точек поверхности исследуемого объекта относительно объекта начального ненагруженного состояния при пошаговом нагружении объекта его голографируют на каждом шаге на- гружения, что приводит к лишним затратам времени и фотоматериалов.

Целью изобретения является повышение точности определения направления и абсолютной величины изменения формы поверхности тонкостенной оболочки отно- сительно начального состояния,

Способ заключается в том, что форму исследуемой ненагруженной тонкостенной оболочки измеряют изнутри в исходном со- стоянии непрерывно по образующим, диск- ретно по направляющим поверхности (или непрерывно по направляющим, дискретно по образующим), нагружают оболочку начальной нагрузкой, экспонируют в свете лазера, затем догружают малой пригрузкой и вновь экспонируют, повторяя этот процесс несколько раз при возрастающей начальной нагрузке. При этом форму исследуемой тонкостенной оболочки перед экспозициями дополнительно измеряют изнутри ука- занным выше способом, что и позволяет определить направление перемещения не создавая препятствий для проведения голо- графического эксперимента. Измерение формы поверхности исследуемой тонко- стенной оболочки по образующим и направ- ляющим позволяет определить перемещение точек оболочки относительно ее начального состояния, что существенно при повторении процесса и позволяет про- водить последующие нагружения не ступенчато от предварительной нагрузки, а независимо друг от друга. При этом может быть получена вся траектория нагружения. Поскольку измерение перемещений по величине и знаку проводится указанным выше способом в точках поверхности оболочки, а голографический эксперимент позволяет получать общую картину поля перемещений без указания их знака, то совместная обработка результатов расшифровки голографи- ческих интерферограмм и результатов обмера формы оболочки позволяет полностью определить поле перемещения оболочки как по величине,так и по знаку. При этом следует учитывать, что точки гологра- фической интерферограммы, расположенные на одной и той же полосе;имеют равные перемещения, поэтому для определения направления этого перемещения достаточно иметь информацию о направлении перемещения нескольких (в частности одной) дискретно расположенных точек этой полосы.

На фиг. 1 показаны траектории нагружения, полученные при испытании тонкостенных оболочек заявляемым и известным способами; на фиг. 2-принципиальная схема реализации предлагаемого способа.

Способ осуществляется следующим образом.

Исследуемую тонкостенную оболочку 1, близкую по форме к цилиндрической или конической, при испытании, например, на действие осевого сжатия, помещают в нагружающее устройство 2, выполненное, например, в виде нагружающего устройства для голографической установки. Измерение формы поверхности оболочки производится изнутри при помощи сканирующего устройства с датчиком перемещений 3, например, при помощи устройства для исследования и контроля механизма волнообразования при действии нагрузки. Сканирующее устройство с датчиком перемещений 3 соединено с вычислительным комплексом 4. Оптическая схема голографического эксперимента состоит из лазера 5, делителя излучения на два пучка 6, установленного по ходу излучения лазера, расширителя пучка 7 и коллими- рующей линзы 8, установленных последовательно по ходу одного из пунктов на выходе делителя 7, системы зеркал 9, установленной по ходу второго пучка на выходе делителя 7, и регистрирующей среды 10, установленной по ходу пучка, отражаемого от исследуемой тонкостенной оболочки 1.

Перед началом испытаний форму оболочки 1 обмеряют при помощи сканирующего устройства с датчиком перемещений 3 и регистрируют в качестве начального состояния, например, с помощью вычислительного комплекса 4, например типа MERA-60. Затем оболочку экспонируют в свете лазера 5. При этом изображение оболочки регистрируется на фотопластинках в регистрирующей среде 10. Затем оболочку догружают малой пригрузкой и снова производят измерения поверхности с помощью сканирующего устройства с датчиком перемещений 3. После этого оболочку вторично экспонируют и полученные голографические интерфе- рограммы подвергают соответствующей обработке для получения видимого изображения. В схему устанавливают новую регистрирующую среду 10. Оболочка далее нагружается большей по величине нагрузкой и процесс повторяется. В результате расшифровки полученных таким образом топографических интерферограмм и резуль- татов обмера формы оболочки сканирующим устройством с датчиком перемещений 3 получается на каждом шаге полная картина перемещений поверхности оболочки 1. Нанося на график величину нагрузки Р и соответствующие ей результаты замеров формы с помощью сканирующего устройства с датчиком перемещений 3-W и перемещения AW, полученные при расшифровке голографических интерферограмм для при- грузки, возможно построить траекторию нагружения системы фиг. 1,а. Построение траектории известным способом требует гораздо большего повторения голографиче- ского эксперимента фиг. 1,6. Измерение формы оболочки 1 сканирующим устройством с датчиком перемещений 3 при основной нагрузке используется для определения как абсолютной величины перемещения, так и направления, а при пригрузке только для определения направления перемещения.. Экономический эффект достигается за счет сокращения дополнительных затрат по

определению направления перемещения поверхности исследуемой тонкостенной оболочки, повышения точности измерений путем создания неподвижной регистрирующей среды в процессе эксперимента, снижение затрат фотоматериалов и времени работы лазерной установки, Использование способа позволяет снизить металлоемкость и повысить эффективность использования в народном хозяйстве элементов машиностроительных конструкций типа тонкостенных оболочек.

Формула изобретения Голографический способ определения изменения состояния объекта, заключающийся в том, что последовательно формируют на одном и том же светочувствительном слое две голограммы, соответствующие двум состояниям объекта, регистрируют голографические интерферограммы, по результатам обработки которых судят об изменении состояния объекта, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и определения направления абсолютной величины изменения положения поверхности тонкостенной оболочки относительно начального состояния, перед формированием голограммы измеряют форму поверхности оболочки изнутри оболочки, изменение состояния оболочки производят путем ее нагружения, интерферограммы регистрируют для двух последовательных изменений состояния оболочки, измерение формы поверхности оболочки осуществляют непрерывно по образующим, дискретно по направляющим или непрерывно по направляющим, дискретно по образующим для каждого этапа нагружения, а об изменении состояния оболочки судят с учетом результатов измерения формы поверхности.

Изобретение относится к голографиче- ской интерферометрии и может быть использовано для измерения деформаций тонкостенных оболочек при простом и комбинированном нагружении в научно-исследовательских и производственных лабораториях и цехах. Цель изобретения: повышение точности и определение направления и абсолютной величины прогибов, не создавая при этом препятствий для проведения голографического эксперимента, производить пошаговое нагружение объекта вплоть до критической нагрузки. Дополнительно измеряют изнутри формы поверхности оболочки перед нагружением и между экспозициями на разных уровнях на- гружения - непрерывно по образующим, дискретно по направляющим (или непрерывно по направляющим, дискретно по образующим) с регистрацией результатов измерений на всех этапах с помощью устройства вычислительной техники. Для определения поля перемещения оболочки как по величине, так и по направлению производится совместная расшифровка голографических интерферограмм и обработка результатов обмера формы оболочки. Результаты обмера перед первой экспозицией используются для определения перемещений при пошаговом нагружении. 2 ил. СО С