УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ДЕФОРМАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ ОБЪЕКТА

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к устройствам для контроля деформированного состояния элементов конструкций когерентно-оптическими методами, преимущественно в производственных условиях.
Известно устройство для контроля деформации поверхности объекта, содержащее оптически связанные оптический квантовый генератор, коллиматор, кассету с фотопластинкой и приспособление для крепления кассеты к объекту (патент RU, N 2097686, опуб. 27.11.1997). В устройстве реализуется метод измерений с применением накладного интерферометра, что обеспечивает возможность проведения измерений в условиях, когда в процессе измерений исследуемый объект претерпевает существенные перемещения.
Недостатками известного устройства являются существенные ограничения на размер контролируемой области, необходимость крепления кассеты с фотопластинкой к объекту и влияние посторонних вибраций на процесс регистрации голографической интерферограммы. Эти недостатки существенно ограничивают применение устройства в производственных условиях.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является устройство для регистрации полей вибросмещений механических конструкций, содержащее лазер непрерывного излучения, электрооптический затвор, светоделитель, светофильтр, блок оптических элементов для формирования предметного пучка, блок оптических элементов для формирования опорного пучка, цифровую камеру и компьютер (см., например, Еленевский Д.С. Ю.Н.Шапошников, Цифровой интерферометр для регистрации полей вибросмещений механических конструкций.// Известия Самарского центра Российской академии наук, т.4, №2, 2002. - с.353-360 - прототип).
Устройство обеспечивает возможность регистрации деформаций объекта с применением метода электронной спекл-интерферометрии, например, для измерения колебаний лопаток авиационных турбин. Синхронизация интервала открытия затвора с фазой колебаний объекта и ограничение времени экспозиции 1/30 периода колебания позволяет качественно регистрировать спекл-структуру и получать высококонтрастные интерферограммы.
Недостатки известного устройства заключаются в том, что известное устройство не может использоваться в производственных условиях без применения систем виброзащиты, имеет существенные ограничения на максимальную величину регистрируемых перемещений и требует затемнения лабораторного помещения в процессе выполнения измерений.
Техническая задача полезной модели состоит в повышении эффективности устройства для контроля деформации поверхности объекта за счет обеспечения контроля деформаций в производственных условиях без применения средств виброзащиты и без ограничения величины максимальных деформаций.
Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для контроля деформации поверхности объекта, содержащем лазер непрерывного излучения, электрооптический затвор, светоделитель, светофильтр, блок оптических элементов для формирования предметного пучка, блок оптических элементов для формирования опорного пучка, цифровую камеру и компьютер, - лазер непрерывного излучения, светоделитель, блок оптических элементов для формирования предметного пучка, блок оптических элементов для формирования опорного пучка и цифровая камера размещены в жестком корпусе, обеспечивающем их взаимную неподвижность в процессе измерения, светофильтр установлен в оптическом тракте цифровой камеры и выполнен с полосой пропускания, соответствующей длине волны излучения лазера, электрооптический затвор размещен перед светочувствительным элементом камеры, цифровая камера выполнена высокоскоростной, а компьютер оснащен контроллером управления электроптическим затвором, экспозицией и частотой съемки цифровой камеры, устройствами соответственно скоростного захвата и сохранения изображений, причем корпус установлен на опоре, обеспечивающей его минимальную подвижность относительно объекта, а лазер имеет длину временной когерентности излучения превышающую расстояние проходимое предметным световым потоком от светоделителя до светочувствительного элемента цифровой камеры через наиболее удаленную от устройства точку контролируемой поверхности объекта.
Полезная модель имеет следующие отличия от прототипа:
- лазер непрерывного излучения, светоделитель, блок оптических элементов для формирования предметного пучка, блок оптических элементов для формирования опорного пучка, и цифровая камера размещены в жестком корпусе;
Это позволяет сохранить постоянство фазового набега по тракту опорного пучка и все изменения фазы светового потока предметного пучка соотносить с деформацией объекта и изменением взаимного положения между объектом и устройством для контроля деформации. Кроме того, размещение оптических и электронных элементов в корпусе позволяет обеспечить их защиту от пыли и влаги, что весьма существенно при выполнении измерений в производственных условиях. В зоне размещения светочувствительного элемента цифровой камеры, корпус может быть выполнен из оптически непрозрачного материала, что существенно снижает уровень паразитной засветки светочувствительного элемента камеры.
- светофильтр установлен в оптическом тракте цифровой камеры и выполнен с полосой пропускания, соответствующей длине волны излучения лазера;
Установка светофильтра с полосой пропускания, соответствующей длине волны излучения лазера, в оптическом тракте цифровой камеры позволяет обеспечить возможность проведения исследований в условиях яркого освещения зоны измерения. При этом очевидно, что излучение осветителей в спектральном составе не должно иметь линию, соответствующую длине волны применяемого лазера. Освещение зоны проведения измерений существенно упрощает проведение исследований и повышает безопасность выполнения работ. В некоторых случаях измерения могут проводиться и при естественном освещении, когда измеряемый объект затенен или световой поток естественного излучения имеет низкий уровень интенсивности на используемой длине волны лазерного излучения.
- электрооптический затвор размещен перед светочувствительным элементом;
Размещение электрооптического затвора перед светочувствительным элементом камеры позволяет минимизировать влияние паразитной засветки на формирование изображения интерференционной структуры.
- цифровая камера выполнена высокоскоростной;
Выполнение цифровой камеры высокоскоростной, с коротким временем экспозиции и высокой частотой кадров позволяет:
а) регистрировать интерференционные структуры (спекл-поля или интерференционные поля) без применения методов виброзащиты. Например, при измерении нормальных перемещений, когда направление освещения и наблюдения соответствует нормали к измеряемой поверхности, интерференционная структура может быть зафиксирована в том случае, если расстояние между объектом и плоскостью регистрации изображения не превысит 1/8 длину волны (паразитный фазовый набег не превышает π/2). Используя лазер с длиной волны 600 нм, при экспозиции не более 5 мкс, обеспечивается регистрация интерференционной структуры при взаимном смещении 15 мм/с объекта и устройства для контроля деформации. В практике измерений скорость изменения взаимного положения объекта и устройства намного меньше, но влияние промышленных вибраций и воздействий окружающей среды может потребовать применения еще более коротких экспозиций. В случае сложных условий эксплуатации время экспонирования определяется экспериментально.
б) регистрировать последовательность снимков интерференционных структур, что позволяет получить интерференционную картину, например, путем обработки соседних кадров последовательности интерференционных структур. Обработка пары снимков позволяет получить изменение поля перемещений исследуемой поверхности за время между экспозициями. Например, при разрешении светочувствительной матрицы (ПЗС или КМОП) 1000×1000 элементов, из практического опыта известно, что на интерферо-грамме можно выделить не более 40-50 полос, при условии их равномерного распределения. Используя лазер с длиной волны 600 нм, за один цикл регистрации в пределах кадра регистрируется поле перемещений с максимальной нормальной компонентой вектора перемещений около 15 мкм. При обеспечении интервала между отдельными экспозициями 2.5 мс (соответственно частота съемки 400 кадр/с) тестирующее нагружение может применяться таким, которое изменяет положение точек исследуемой поверхности со скоростью до 6 мм/с.В большинстве случаев этого достаточно для проведения диагностики конструкций или сооружений. Но если тестирующая нагрузка изменяется с более высокой скоростью или внешние нежелательные воздействия приводят к существенному возрастанию частоты интерферограмм, то частота кадров может быть определена экспериментально.
- компьютер оснащен контроллером управления электрооптическим затвором, экспозицией и частотой съемки цифровой камеры, устройством скоростного захвата и сохранения изображений.
Оснащение компьютера контроллером управления электрооптическим затвором, экспозицией (временем экспозиции) и частотой съемки (интервалами между экспозициями) цифровой камеры, позволяет минимизировать необходимые ресурсы накопителя изображений (памяти компьютера), интерфейсов обмена данными и время на обработку информации, поскольку может быть подобрана оптимальная длительность экспозиции и частота съемки интерференционных структур.
Оснащение компьютера устройствами сответственно скоростного захвата и сохранения изображений позволяет регистрировать в процессе измерений большое число последовательных кадров интерференционных структур. Такая последовательность создает возможность отслеживать изменение поля перемещений за малые промежутки времени, что позволяет выполнять исследования без виброзащиты, т.е. в производственных условиях или в процессе эксплуатации объекта исследования.
- корпус установлен на опоре;
Установка корпуса устройства на опоре, обеспечивающей его минимальную подвижность относительно объекта, позволяет минимизировать нежелательные перемещения, сократить частоту кадров, уменьшив тем самым, временные затраты на обработку информации.
- лазер имеет длину временной когерентности излучения, превышающую расстояние проходимое предметным световым потоком от светоделителя до светочувствительного элемента цифровой камеры через наиболее удаленную от устройства точку контролируемой поверхности объекта.
Использование лазера с высокой длиной когерентности излучения, превышающей расстояние проходимое предметным световым потоком от светоделителя до светочувствительного элемента цифровой камеры через наиболее удаленную от устройства точку контролируемой поверхности объекта, позволяет минимизировать размеры конструкции корпуса устройства, снизить его вес, повысить устойчивость и уменьшить влияние внешних воздействий на фазу опорного пучка за счет исключения необходимости компенсации разности хода опорного и предметного световых потоков внутри устройства.
Все это позволяет повысить эффективность устройства для контроля деформации поверхности объекта за счет обеспечения контроля деформаций в производственных условиях без применения средств виброзащиты и без ограничения величины максимальных деформаций.
В просмотренном нами патентно-инфрмационном фонде не обнаружено аналогичных технических решений, а также решений с указанными отличительными признаками.
Полезная модель применима и будет использована на предприятиях отрасли в 2009 г.
На рисунке представлена схема устройства для контроля деформации поверхности объекта при регистрации нормальной компоненты вектора перемещений.
Устройство для контроля деформации поверхности объекта 1 содержит лазер непрерывного излучения 2 (например, полупроводниковый с большой длиной когерентности), электрооптический затвор 3, светоделитель 4, светофильтр 5, блок оптических элементов 6 для формирования предметного пучка, блок оптических элементов 7 для формирования опорного пучка, высокоскоростную цифровую камеру 8 и компьютер 9.
Лазер непрерывного излучения 2, светоделитель 4, блок оптических элементов 6 для формирования предметного пучка, блок оптических элементов 7 для формирования опорного пучка, и цифровая камера 8 размещены в жестком корпусе 10, установленном на опоре 11, обеспечивающей их взаимную неподвижность в процессе измерения. Светофильтр 5 установлен в оптическом тракте цифровой камеры 8 и выполнен с полосой пропускания, соответствующей длине волны излучения лазера. Электрооптический затвор 3 размещен перед светочувствительным элементом камеры 8, а компьютер 9 оснащен контроллером 12 управления электрооптическим затвором 3, экспозицией и частотой съемки цифровой камеры 8, устройствами 13 и 14 соответственно скоростного захвата изображений и сохранения изображений, причем последние размещены в корпусе компьютера 9. Для контроля параметров процесса измерения и просмотра результатов регистрации поля деформации в устройстве используется монитор 15.
Перед началом измерения деформации поверхности объекта 1 корпус 10 устанавливают на опору 11 и ориентируют блок элементов 6 в направлении объекта 1. Включают, цифровую камеру 8 и компьютер 9 с его внутренними и периферийными устройствами. Для облегчения настройки временно удаляют светофильтр 5 из оптического тракта камеры 8. Корректируют положение корпуса 10 по отношению к объекту 1 так, чтобы исследуемая поверхность занимала максимально возможную площадь кадра. Для наблюдения в реальном времени за расположением исследуемой поверхности используют монитор 15. Уточняют границы кадра с учетом действия тестовой нагрузки так, чтобы при выполнении измерений исследуемая поверхность оставалась освещенной когерентным лазерным излучением и ни одна ее часть не выходила за пределы кадрового окна цифровой камеры 8. Фиксируют корпус 10 на опоре 11 для обеспечения минимальной его подвижности относительно объекта 1 в процессе измерений. Восстанавливают положение светофильтра 5 в оптическом тракте камеры 8. Для обеспечения тестирующего воздействия на объект 1 приводят в готовность нагружающие устройства. Включают лазер 2. В зависимости от производственных условий и скорости изменения тестовой нагрузки на объект 1, в контроллере 12 устанавливают (программно или аппаратно) время экспозиции и интервал между кадрами. Включают компьютер 9 с контроллером 12 в режим регистрации. Начинается последовательная регистрация интерференционных структур, формируемых опорным световым пучком от лазера и предметным пучком, отраженным от исследуемой поверхности. Высокоскоростная камера 8 регистрирует изображение интерференционной структуры за время, при котором не в ней происходят фазовые изменения, т.е. изображение остается стабильным. Кадр оцифровывается устройством захвата изображений 13 и сохраняется в устройстве 14. Очередной кадр регистрируется через интервал времени, обеспечивающий получение хорошей картины интерференционных (корреляционных) полос. При этом регистрируются относительные перемещения исследуемой поверхности и корпуса 10, которые могут возникать вследствие воздействия промышленных вибраций, акустических шумов, изменений состояния окружающей среды. Включают нагружающее устройство и воздействуют на объект 1 тестирующей нагрузкой, например, сосредоточенной силой F. Ведут регистрацию потока цифровых изображений до достижения заданного уровня тестирующей нагрузки. Поле перемещений исследуемой поверхности получают путем суммирования отдельных полей перемещений, получаемых при обработке последовательных кадров интерференционной структуры по известным алгоритмам. Учитывая, что даже при незначительном темпе изменения нагрузки частота кадров может достигать 500-1000 кадр/с, очевидно, что обработка данных даже при коротком времени воздействия тестирующей нагрузки (1-2 мин) должна выполняться в автоматизированном режиме (60000-120000 кадров). Современные компьютеры с многоядерными процессорами позволяют не только решать эту задачу за короткое время, но и реализовать этот процесс с минимальной задержкой, в режиме «реального времени». Для упрощения анализа интерферограмм в процессе измерений рядом с исследуемой поверхностью объекта 1 может быть установлен вспомогательный объект 16, который размещается на общем для этих объектов основании 17, но не подвергается воздействию тестирующей нагрузки F. При анализе последовательности интерферограмм, поле перемещений поверхности вспомогательного объекта 16 может служить для корректировки поля перемещений основного объекта 1, например, посредством экстраполяции поля перемещений.
Наиболее эффективно устройство для контроля деформации поверхности объекта может быть реализовано с применением современных полупроводниковых лазеров мощностью 0.1-3 Вт, с длиной когерентности несколько десятков метров. Применение высокоскоростных камер с временем экспозиции 100 нс и частотой съемки 500-2000 кадр/с при разрешении 1-2 Мпиксел, позволяет решать большинство производственных задач, например диагностировать состояние панелей самолета, определять деформации корпуса ракеты, контролировать состояние подъемных машин в шахтах, исследовать состояние мостовых конструкций, эстакад, зданий и сооружений. При этом исследования могут проводиться без применения средств виброзащиты, непосредственно в производственных условиях под воздействием эксплуатационных нагрузок.
Использование устройства позволяет своевременно оценивать техническое состояние конструкций и сооружений, предотвращая их возможное внезапное разрушение. Высокая информационная насыщенность интерферограмм создает предпосылки не только для обнаружения дефектов, но и для определения методики целенаправленного восстановления работоспособности конструкций, зданий, сооружений.
Устройство может быть эффективно применено для диагностики конструкций в условиях космоса, например, для обнаружения трещин, сколов, нарушения сплошности теплозащитного покрытия космических летательных аппаратов.
Возможность контроля деформации объекта в реальном времени позволяет применить устройство не только для диагностики, но и для контроля сборки особоответственных конструкций, например, ядерных и химических реакторов, корпусов самолетов, ракет, спутников, реактивных двигателей и двигателей внутреннего сгорания большой мощности.