Цифровой интерферометр для регистрации полей вибросмещений механических конструкций

УДК 621.378.3:681.786

ЦИФРОВОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ПОЛЕЙ ВИБРОСМЕЩЕНИЙ МЕХАНИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

© 2002 Д.С. Еленевский, Ю.Н. Шапошников

Самарский научно-инженерный центр автоматизированных прочностных испытаний и диагностики машин

Рассмотрены проблемы, связанные с исследованием колебаний деталей и узлов энергетических машин методами цифровой спекл-интерферометрии. Описана конструкция цифрового спекл-ин-терферометра, позволяющего одновременно регистрировать три компоненты вектора вибросмещения всей поверхности исследуемого объекта.

Для эффективной доводки деталей и узлов энергетических машин по прочности и надежности необходимо иметь информацию

о распределении напряжений при ее колебаниях на собственных формах. Основным инструментом для получения такой информации, несмотря на его трудоемкость, повсеместно является метод тензометрии. В то же время в начале 90-х годов была предложена расчетно-экспериментальная методика оценки вибронапряженного состояния, не требующая тензометрирования деталей [1]. Получение полей напряжений в соответствие с этой методикой было многоступенчатым процессом. На первом этапе методом голографической интерферометрии регистрировались три интерференционные картины. Далее эти картины с помощью специального модуля вводились в компьютер, осуществлялась их геометрическая привязка к системе координат, графическое редактирование и, наконец, по ним рассчитывались поля вибросмещений поверхности в узлах конечно-элементной модели исследуемого объекта. Эти результаты на последнем этапе использовались в качестве исходных данных для проведения расчетов полей напряжений. Тем не менее метод не получил распространения именно в силу многоступенчатости процесса. В этой связи совершенно уникальные возможности для совершенствования разработанной методики представляет цифровая голография.

Цифровая голография является дальнейшим развитием электронной спекл-интерфе-

рометрии [2]. Она использует преимущества современной компьютерной техники в части обработки информации, позволяя полностью автоматизировать как процесс регистрации колебаний, так и представление результатов в виде распределения интенсивности света, привязанного к амплитудам коле -баний точек поверхности исследуемого объекта. В цифровом интерферометре интерференционная картина формируется непосредственно в памяти компьютера. Таким образом, процесс расчета полей напряжений может быть существенно упрощен.

Три проблемы должны быть решены при создании такого интерферометра. Во-первых, интерферометр должен позволять одновременно регистрировать все три проекции вектора вибросмещения. Во-вторых, интерференционные картины, регистрируемые интерферометром, должны удовлетворять определенным требованиям по качеству. И, наконец, алгоритм обработки интерферограмм должен с минимальными погрешностями связать распределение интенсивности света в интерференционной картине с амплитудами колебаний точек поверхности. Рассмотрим эти проблемы последовательно и более подробно.

В голографической интерферометрии вектор чувствительности интерферометра определяется как разность векторов освещения и наблюдения исследуемой точки поверхности [3]. Интерферометр регистрирует проекцию вектора смещения точки поверхности

на вектор чувствительности интерферометра в данной точке. Для регистрации трех компонент вектора смещения необходимо иметь интерферометр, позволяющий регистрировать картины с тремя различающимися векторами чувствительности, причем чтобы минимизировать погрешность измерения вектора смещения, пространственные углы между векторами чувствительности должен быть близки к 1200. Это достигается применением оптических весьма сложных оптических схем, в которых объект освещается и/или наблюдается по различным направлениям.

В спекл-интерферометрии оптические схемы интерферометров, предназначенных для регистрации компонент вектора смещения, лежащих в плоскости исследуемой поверхности, и компоненты, близкой к нормали поверхности, могут существенно различаться [4]. Оптическая схема интерферометра, чувствительного к нормальной компоненте вектора смещения, практически ничем не отличается от оптических схем голографических интерферометров. При этом, как и в голографической интерферометрии, вектор чувствительности совпадает с биссектрисой угла между векторами освещения и наблюдения точки поверхности, т. е. может быть в пространстве направлен по любому направлению. Если же интерес представляет компонента вектора смещения, лежащая в плоскости поверхности, то тогда исследуемая поверхность освещается двумя параллельными пучками света, направленными на поверхность с разных сторон под углом 450 к нормали, опорный пучок при этом отсутствует вовсе. В этом случае регистрируется компонента смещения, лежащая в плоскости поверхности, направление которой совпадает с плоскостью, в которой развернуты освещающие пучки.

Большинство оптических схем спекл-интерферометров построено так, что они регистрируют только компоненту вектора смещения, близкую к нормали, либо только компоненту, лежащую в плоскости объекта. Известен интерферометр, разработанный Пед-рини, который совмещает в себе эти две схе-

мы и позволяет регистрировать три компоненты вектора вибросмещения [5]. Конструкция интерферометра достаточно сложна. Излучение рубинового лазера делится на шесть пучков, которые попарно используются для последовательного получения трех интерференционных картин, по которым могут быть рассчитаны три компоненты вектора вибросмещения. Основной недостаток этого интерферометра, кроме того, что интерференционные картины, привязанные к каждой из компонент вектора вибросмещения, регистрируются не одновременно, связан с тем, что он, в силу специфики оптической схемы, может быть использован для исследования колебаний объектов, поверхность которых близка к плоской. Исследование полей смещений объектов сложной формы, таких как, например, лопатки турбины, с помощью этого интерферометра представляется проблематичной задачей.

В основе другого интерферометра, позволяющего регистрировать три компоненты вектора вибросмещения, лежит достаточно простая оптическая схема с тремя разнесенными в пространстве телевизионными камерами наблюдения, тремя опорными и только одним освещающим исследуемый объект лазерными пучками [6]. Основные недостатки интерферометра связаны с необходимостью синхронизации работы всех трех камер и организацией одновременного ввода трех изображений в компьютер. Некоторые сложности могут возникнуть и с вибрационной стабильностью интерферометра, поскольку камеры достаточно разнесены в пространстве, а время регистрации между двумя последовательными кадрами велико.

Эти недостатки в некоторой степени преодолены в интерферометре, в котором используется одна телевизионная камера и три разнесенных в пространстве освещающих пучка [7]. Однако, оптическая схема этого интерферометра также достаточно сложна, поскольку из-за ограниченной когерентности лазера требуется три различающихся опорных пучка. Кроме того, в этом интерферометре регистрация трех интерференционных картин производится последовательно. Наконец,

такой интерферометр, также как и предыдущий, не в состоянии обеспечить оптимальный пространственный угол в 1200 между направлениями векторов чувствительности, обеспечивающий минимальную погрешность при определении вектора смещения точки поверхности.

Поэтому разработка оптической схемы интерферометра, способного одновременно регистрировать три компоненты вектора смещения объекта сколь угодно сложной формы, представляется актуальной задачей.

Если интерференционные картины в последующем будут подвергаться обработке с целью извлечения из них количественной информации, то к их качеству предъявляются повышенные требования. Условия регистрации, при которых качество электронных спекл-интерферограмм будет наилучшим, подробно рассмотрены в монографии [4]. Эти условия справедливы и при получении цифровых интерферограмм. Кроме того, при исследованиях вибросмещений возникают дополнительные проблемы. Прежде всего, очевидно, что для извлечения количественной информации не подходят интерферограммы, регистрируемые методом усреднения во времени. Зависимость распределения интенсивности света от амплитуды колебания точек поверхности в интерферограмме, зарегистрированной усреднением во времени, описывается функцией Бесселя первого рода нулевого порядка. Контраст интерференционных полос таких интерферограмм весьма низок и падает почти линейно с ростом номера интерференционной полосы. Поэтому для получения высококонтрастных полос вибрирующая поверхность должна освещаться двумя короткими лазерными импульсами, генерируемыми в моменты разных фаз колебаний исследуемой поверхности. Обычно в качестве источника излучения в цифровых интерферометрах используются двухимпульсные рубиновые лазеры [5-7]. За время накачки такой лазер генерирует пару импульсов, привязанных к выбранным фазам колебания объекта. Однако известно, что лазерные импульсы, генерируемые, в частности, рубиновыми лазерами с модулированной добротно-

стью, могут существенно отличаться по частоте [8]. Смещение частоты генерации между импульсами приводит к образованию "ложных" интерференционных полос, связанных с рельефом поверхности исследуемого объекта. Такие полосы искажают результирующую интерференционную картину [9].

Другим недостатком двухэкспозиционной регистрации колебаний с использованием коротких лазерных импульсов является то, что интерференционные полосы нулевого порядка неотличимы от полос других порядков. Поэтому при расшифровке интерферограмм возникают естественные трудности, связанные с определением порядкового номера полос.

Поскольку в основе цифровой голографии лежит спекл-эффект, зернистость является неотъемлемым свойством интерференционной картины, полученной цифровым интерферометром. Восстановление фазовой функции поверхности непосредственно по таким интерференционным полосам и последующая ее привязка к амплитудам колебаний не могут быть проведены без существенных ошибок. С целью минимизации погрешности при восстановлении фазовой поверхности используют контролируемый фазовый сдвиг [10]. Фаза опорного светового пучка интерферометра последовательно сдвигается на известную величину и после каждого сдвига регистрируется спекл-изображение. Осуществить серию таких сдвигов в интерферометре с импульсным рубиновым лазером при исследовании колебаний достаточно сложно. Во-первых, лазер должен за время одной накачки генерировать серию (шесть-восемь) импульсов, привязанных к одной из двух выбранных фаз колебаний объекта. Во-вторых, одна цифровая камера не может зарегистрировать и ввести в компьютер шесть различающихся спекл-картин поскольку время генерации лазера меньше времени регистрации одного кадра изображения. Можно было бы для этих целей использовать интерферометр, в котором с помощью трех цифровых камер с дополнительной памятью осуществлена регистрация нормальной компоненты вектора вибросмещения в шести раз-

личных фазах колебания объекта, но его оптическая схема и система синхронизации чрезвычайно сложны [11].

В настоящей работе описан интерферометр, позволяющий получать одновременно три высококонтрастные интерференционные картины колеблющегося объекта с различающимися векторами чувствительности. В интерферометре используется гелий-неоно-вый лазер непрерывного действия, на выходе которого установлен электрооптический затвор, управляющий излучением лазера. Такой интерферометр свободен от недостатков интерферометров с импульсными рубиновыми лазерами. Он позволяет производить регистрацию спекл-интерферограмм как методом усреднения во времени, так и стробоскопическим. Интерферограммы, зарегистрированные методом усреднения, используются только для определения положения нулевых полос, а расчет амплитуд колебаний проводится по двухэкспозиционной картине.

Оптическая схема спекл-интерферомет-ра представлена на рис.1. Излучение гелий-неонового лазера 1 непрерывного действия, проходит через электрооптический затвор 2 и попадает на светоделитель 3, после которого формируются предметный и опорный пучки. Опорный пучок пропускается через

фазовращатель 4 и зеркалами 5 и 7 направляется в систему формирования, которая состоит из микрообъектива 8 с фильтрующей микродиафрагмой 9 и линзы 10. Оптический клин 15 направляет опорный пучок в цифровую телекамеру 13. Система, состоящая из микрообъектива 8 и линзы 10, формирует опорный пучок таким, чтобы он фокусировался точно в плоскости диафрагмы объектива 14 телекамеры 13 и полностью освещал светочувствительную матрицу телекамеры. Объектный пучок расширяется линзой 11 и освещает исследуемый объект 17 и установленные вблизи объекта зеркала 12 и 16. Переменный светофильтр 6 позволяет регулировать отношение интенсивностей опорного и объектного пучков в плоскости светочувствительной матрицы. Изображение объекта и его зеркальные отражения, наблюдаемые телекамерой, вводятся в персональный компьютер 18.

Источником излучения в разработанном интерферометре служит гелий-неоновый лазер ЛГН-222, генерирующий линейно поляризованное одномодовое излучение мощностью 60 мВт. В качестве затвора используется электрооптический модулятор МЛ-103. Фазовращателем служит электрооптический кристалл БКБР. Изменяя напряжение, пода-

Рис.1. Оптическая схема цифрового интерферометра:

1 - лазер; 2 - электрооптический затвор; 3,5,7,12,16 - зеркало; 4 - фазовращатель; 6 - светофильтр; 8 - микрообъектив; 9 - микродиафрагма; 10,11 - линза; 13 - телекамера; 14 - объектив телекамеры; 15 - клин; 17 - исследуемая поверхность; 18 - персональный компьютер

ваемое на кристалл, можно с высокой точностью управлять фазой опорного пучка. Светофильтр, размещенный в опорном плече интерферометра, позволяет установить оптимальное соотношение пучков в плоскости интерференции. Цифровая телекамера WAT-902H формирует в персональном компьютере изображение исследуемого объекта, с разбиением на 752x582 точек. Диафрагма объектива телекамеры устанавливается такой, чтобы средний размер спекла (определяемый как 1,22А,(КА), где ^=0,633 мкм - длина волны лазерного излучения, (КА) - числовая апертура объектива) в плоскости изображения, был близок к размерам ячейки приемной матрицы телекамеры (8,6х8,3 мкм). Зеркала 12 и 16 устанавливаются вблизи исследуемого объекта и освещаются совместно с объектом одним пучком. Зеркала ориентируются таким образом, чтобы расширенный объектный пучок, отраженный от них, освещал всю поверхность объекта, и в телекамере наблюдались зеркальные отражения объекта. Таким образом, каждая точка на поверхности объекта (например, 0(х,у^)) освещается и наблюдается одновременно по трем различающимся направлениям. Телекамера регистрирует одновременно три интерференционные картины с тремя различающимися векторами чувствительности. При этом, поскольку оптическая ось телекамеры близка к оптической оси освещающего пучка, направления векторов чувствительности будет почти совпадать с направлениями наблюдения изображений объекта. Зеркала установлены так, что пространственный угол между направлениями наблюдения объекта близок к 1200. Таким образом, погрешность определения вектора вибросмещения будет близка к минимальной.

Принципы работы интерферометра иллюстрирует схема, приведенная на рис.2.

Интерферометр работает следующим образом. Сигнал возбуждения от звукового генератора 1 поступает одновременно на усилитель 3, блок управления 6 и осциллограф 17. Частота сигнала регистрируется частотомером 2. Усиленный сигнал возбуждает на заданной генератором частоте колебания объекта 5 с помощью вибратора 4. Микрофон

3

2

5

\

1 6

9 X 1-і1 о Г —1!—| ^ГйНЬ* 13

11

... ——-

16 14

17

15

Рис.2. Блок-схема цифрового интерферометра:

1 - звуковой генератор; 2 - частотомер; 3 - усилитель; 4 - возбудитель колебаний; 5 - осциллограф; 6 - блок формирования импульсов; 7 - высоковольтный блок питания; 8 - фазовращатель; 9 - лазер; 10 - электрооптический затвор; 11 - объект; 12 - электронный объектив; 13 - телекамера;

14 - персональный компьютер; 15 - микрофон; 16 - шумомер; 17 - осциллограф

15 улавливает акустический сигнал отклика объекта на возбуждающее усилие и подает его на шумомер 16. Шумомер регистрирует уровень сигнала отклика. После шумомера этот сигнал направляется на осциллограф 17, на который также поступает сигнал от генератора, возбуждающего колебания.

При сканировании частоты возбуждения в момент резонанса резко возрастает акустический сигнал отклика; таким образом, по фигуре Лиссажу на экране осциллографа можно точно настроиться на резонансную частоту колебаний исследуемого объекта. Электрооптический затвор 10 при этом постоянно работает в режиме пропускания, лазер 9 освещает исследуемый объект 11. Электронный объектив 12 постоянно открыт, и изображение объекта вводится телекамерой 13 в персональный компьютер 14. На экране монитора персонального компьютера наблюдается "живая" спекл-картина. Процесс настройки на резонанс может контролироваться по этой спекл-картине.

После завершения настройки колебаний на резонансную частоту, методом усреднения во времени может быть получена цифровая интерферограмма. Для этого в память персонального компьютера записывается спекл-картина, затем фаза опорного пучка с помо-

щью фазовращателя В смещается на 1800 и регистрируется другая спекл-картина. Разность этих спекл-картин представляет собой цифровую усредненную во времени интерферограмму. По интерферограмме легко можно определить форму колебаний исследуемого объекта. Однако она, в силу низкого контраста интерференционных полос, не позволяет рассчитать распределение амплитуд колебаний.

На рис.За приведены три одновременно зарегистрированные подобным образом интерференционные картины колеблющейся лопатки компрессора.

Для того чтобы получить высококонтрастную картину, распределение интенсивности в которой связано с амплитудами колебаний точек поверхности косинусоидальной функцией, исследуемую поверхность необходимо освещать двумя короткими лазерными импульсами в разных фазах колебаний. Это осуществляется с помощью электрооптичес-кого затвора І0. Электрооптический затвор закрыт, когда на него с высоковольтного блока питания 7 подается постоянное напряжение, равное полуволновому. Для регистрации спекл-картины на резонансной частоте по команде оператора синхроимпульс с телекамеры открывает объектив телекамеры, одновременно этот сигнал подается на блок фор-

мирования импульсов 6. Блок формирования вырабатывает импульс, привязанный к заранее выбранной оператором фазе синусоидальных колебаний звукового генератора, возбуждающего объекта. Для контроля положения вырабатываемых импульсов относительно фазы колебаний используется двухлучевой осциллограф 5. Этот импульс поступает на блок питания 7 электрооптического затвора и снимает полуволновое напряжения с электрооптического модулятора, затвор открывается и освещает объект. Длительность высоковольтного импульса устанавливается на уровне 1/30 периода колебаний. Как показано в [12] такая длительность является максимально допустимой, с тем, чтобы смещением вибрирующего объекта за время лазерного импульса можно было пренебречь. Поскольку объектив открыт, формируется кадр изображения и спекл-картина заносится в память персонального компьютера. При регистрации следующего кадра импульс, открывающий лазерный затвор, привязывается к другой выбранной фазе колебаний и блок формирования импульсов посылает на фазовращатель 8 сигнал, смещающий фазу опорного пучка на п. Изображения вычитаются друг из друга, результат вычитания представляет интерференционную картину, распределение интенсивности в которой привязано к соот-

а) б)

Рис.3. Интерференционные картины колеблющейся лопатки компрессора, зарегистрированные одновременно по трем направлениям наблюдения: а) методом усреднения, б) методом стробирования

ветствующим проекциям амплитуды колебаний на вектора чувствительности интерферометра косинусоидальной функцией. На рис.3б приведена полученная подобным образом интерференционная картина. Эта картина полностью идентична картине, зарегистрированной методом вычитания двух усредненных спекл-картин, но контраст интерференционных полос существенно выше.

Разработанный интерферометр позволяет использовать контролируемый фазовый сдвиг для определения центров интерференционных полос с высокой точностью. Методика определения центров полос с точностью до одной двадцатой длины волны света лазера, используемого в интерферометре, развита в [13] для определения статических смещений объектов. Эта методика позволяет устранить спекл-структуру в интерференционной картине.

При регистрации колебаний методом контролируемого фазового сдвига в компьютер последовательно вводятся и запоминаются шесть спекл-картин. Фазовый сдвиг при регистрации спекл-картин осуществляется следующим образом. После регистрации первого кадра в выбранной фазе колебаний объекта, фазовращатель смещает фазу опорного пучка на п/4, и спекл-картина вновь запоминается. Следующий кадр регистрируется со сдвигом фазы опорного пучка 3п/2. Таким образом, в память компьютера заносятся три последовательных спекл-картины объекта в одной и той же фазе колебаний, сложенные с опорным пучком, фаза которого последовательно изменялась. Затем управляющий импульс в блоке формирования смещается, привязываясь к другой выбранной фазе колебаний объекта. Этот процесс контролируется по осциллографу 5. Вновь регистрируются три спекл-изображения: первое при сдвиге фазы опорного пучка на п/2 относительно исходной фазы; второе, при сдвиге фазы опорного пучка относительно исходной на 3п/4; и третье, когда фаза опорного пучка сдвинута на п.

Методика извлечения количественной информации из серии цифровых спекл-кар-тин вибрирующего объекта, полученных при

контролируемом фазовом сдвиге опорного пучка, чрезвычайно проста. Она во многом не отличается от методики, развитой для определения статических смещений [13]. Разработана соответствующая программа, позволяющая по шести изображениям с высокой точностью установить положение центров интерференционных полос. Привязка центров полос к амплитудам вибраций осуществляется в диалоговом режиме отдельно для каждой интерференционной картины. Нумерация полос проводится с использованием интерференционной картины, зарегистрированной методом усреднения во времени. Подробно эта методика будет описана в следующей статье.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Давыдов А.Н., Шапошников Ю.Н. Расчетно-экспериментальная оценка вибронап-ряженного состояния лопаток компрессора //Аэроупругость турбомашин.Труды ЦИАМ №1294. 1991.

2. Pedrini G., Tiziani H.J. Digital holographic interferometry // Digital speckle pattern interferometry and related techniques. Chichester: Wiley. 2001.

3. Вест Ч. Голографическая интерферометрия. М.: Мир, 1982.

4. Джоунс Р., Уайкс К. Голографическая и спекл-интерферометрия. М.: Мир, 1986.

5. http://www.sensorsmag.com/articles/0699/ 0699_p 16/main.shtml.

6. Krupka R., Walz T., Ettemeyer A. New techniques and applications for 3D-brake vibration analysis // SAE Brake Colloquium, San Diego, Oct. 1-4, 2000.

7. Pedrini G., Schedin S., Tiziani H.J. Pulsed digital holography combined with laser vibrometry for 3D measurements of vibrating objects // Opt. and Lasers in Eng. Article in press. 2002.

8. FlamholzA., Wolga G.J. Transient Interference Studies of Passively Q-switched Ruby Laser Emission // J. Appl. Phys. 1968. V.39.

9. ОстровскийЮ.И., БутусовМ.М., Островская Г.В. Голографическая интерферометрия. М.: Наука, 1977.

10. Nakadate S., Saito H. Fringe scanning speckle-patern interferometry // Applied Opt. 1985. V24. №14.

11. http://www.uni-stuttgart.de/ito/institut/ Research_Fields/digholo.htm

12. ЛистовецВ.С., ОстровскийЮ.И. Интер-

ференционно-голографические методы анализа вибраций // ЖТФ. Т.44.

13. Гужов В.И., Козачок А.Г., Нечаев В.Г. Измерение деформаций диффузных поверхностей методом цифровой спекл-интерфе-рометрии // Оптический журнал. 1996. №10.

DIGITAL INTERFEROMETER FOR MECHANICAL STRUCTURE FIELD VIBRODISPLACEMENTS RECORDING

© 2002 D.S. Yelenevsky, Yu.N. Shaposhnikov

Samara Scientific-Engineering Centre of Automated Strength Test and Diagnostics of Machines

The article deals with problems relating to power generation machinery parts and elements vibration study with the use of digital spekcle-interferometry methods. Design structure of speckle-interferometer providing at one and the same time of three components of vibrodisplacement vector of test object whole surface is also described.