УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ КАСАТЕЛЬНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ПОВЕРХНОСТИ

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к оптическим средствам бесконтактных измерений распределенных касательных деформаций поверхности при испытаниях образцов и элементов конструкций на прочность.
Известны тензометрические системы для измерений касательных деформаций локального участка поверхности, содержащие чувствительный элемент - тензорезистор, - и электронную аппаратуру, измеряющую малые изменения сопротивления (см., например, Д.Дэлли, У.Райли. «Тензодатчики». - В сб. «Экспериментальная механика» под редакцией Б.Н.Ушакова. - М.: «Мир», 1990, С.). Тензорезистор наклеивается на исследуемый участок поверхности и при испытаниях деформируется в соответствии с деформацией поверхности, и изменения сопротивления регистрируются с помощью электронной аппаратуры. Недостатком этого устройства являются значительные размеры тензорезистора, составляющие по длине от 5 до 20 мм. Поэтому для измерений распределенных деформаций, когда необходимы одновременные измерения в большом числе точек поверхности, применение данного устройства затруднительно.
Известны оптические устройства, предназначенные для бесконтактных измерений распределенных касательных деформаций поверхности, и служащие прототипом предлагаемому устройству, содержащие цифровую камеру с приемным объективом, направленную своей оптической осью на исследуемую поверхность, осветитель и программно-аппаратную систему сбора и численной обработки изображений, вход которой соединен с выходом цифровой камеры (см., например, «Системы анализа деформированного состояния Vic3D». Проспект фирмы Новатест. http://www.novatest.ru). Эти устройства предназначены для последовательной регистрации серии цифровых изображений мелкомасштабной структуры, нанесенной на исследуемую поверхность, и анализа относительного смещения локальных участков этой структуры на выбранной паре зарегистрированных изображений, по которому находят величину деформации на этом локальном участке.
Недостатком таких устройств является чувствительность к перемещениям исследуемой поверхности как целого. В промышленных испытаниях объект под действием задаваемых нагрузок не только деформируется, но и смещается как целое. Причем это смещение, как правило, многократно превосходит относительные смещения за счет деформации. Это приводит к затруднению анализа относительного смещения локальных участков вплоть до полной потери корреляции мелкомасштабной структуры двух изображений, а, следовательно, к значительной погрешности в определении величины деформации.
Задачей и техническим результатом полезной модели является разработка устройства для бесконтактных измерений распределенных касательных деформаций поверхности, повышение точности и надежности измерений распределенных касательных деформаций поверхности за счет уменьшения влияния поступательных и угловых смещений исследуемой поверхности как целого.
Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что в известное устройство, включающее цифровую камеру с приемным объективом, направленную своей оптической осью на исследуемую поверхность, осветитель и программно-аппаратную систему сбора и численной обработки изображений, вход которой соединен с выходом цифровой камеры, дополнительно введен коллимирующий объектив, установленный своей оптической осью на оптической оси приемного объектива и своей главной плоскостью на расстоянии, равном своему фокусному расстоянию, от главной плоскости приемного объектива цифровой камеры, кроме того, в него дополнительно введен механический узел, содержащий по меньшей мере три опоры, опирающиеся на исследуемую поверхность в точках, не лежащих на одной прямой, при этом по меньшей мере одна опора жестко связана с основанием устройства, а две другие обладают высокой жесткостью в направлении оптической оси и имеют малые свободные перемещения в направлении на опору, жестко связанную с основанием устройства, при этом цифровая камера с приемным объективом, коллимирующий объектив, и механический узел как целое вывешены в поле силы тяжести.
На фиг.1 изображена структурная схема предлагаемого устройства для бесконтактных измерений распределенных касательных деформаций поверхности.
На фиг.2 изображена конструктивная схема оптической головки предлагаемого устройства.
На фиг.3 приведена фотография предлагаемого устройства при испытаниях образца конструкционного материала на испытательной машине.
На фиг.4 приведен пример полей деформации образца из алюминиевого сплава с отверстием в середине, полученных с помощью предлагаемого устройства.
Работа устройства поясняется схемой на фиг.1, на которой показаны установленные на одной оптической оси цифровая камера 1 с приемным объективом 2 и коллимирующий объектив 3 так, что расстояние от главной плоскости приемного объектива цифровой камеры до главной плоскости коллимирующего объектива равно фокусному расстоянию коллимирующего объектива. Оптическая ось направлена на исследуемую поверхность исследуемого образца 12, на которой имеется мелкомасштабная структура, возникшая при обработке поверхности при изготовлении или специально искусственно нанесенная. Поверхность подсвечивают с помощью осветителя 15 и изображение мелкомасштабной структуры регистрируют с помощью программно-аппаратной системы сбора и численной обработки изображений 14, вход которой соединен с выходом цифровой камеры, в виде изображения зернистого поля, в котором неоднородности (максимумы и минимумы) освещенности однозначно связаны с точками поверхности исследуемого образца. При нагружении образца 12 силой растяжения или сжатия неоднородности освещенности смещаются в соответствии с перемещением и деформацией образца. Сравнивая два изображения образца в условно недеформированном и деформированном (нагруженном) состоянии численными методами кросскорреляционного анализа, определяют смещения точек по всей поверхности образца, из которых находят поле распределенной деформации. Однако в схеме аналога, выбранного в качестве прототипа, найденные смещения точек включают не только перемещения деформации, но также смещения образца как целого и влияния перспективных искажений приемного объектива 2, сопутствующих процессу построения изображения, что приводит к высокой погрешности измерений.
В предложенной полезной модели коллимирующий объектив 3, установленный на оптической оси приемного объектива своей главной плоскостью на расстоянии, равном своему фокусному расстоянию, от главной плоскости приемного объектива 2 цифровой камеры, многократно, в десятки или даже сотни раз уменьшает влияние перспективных искажений при поступательных смещениях образца вдоль оптической оси.
Для уменьшения влияния также угловых смещений образца как целого предложено конструктивно выполнить оптическую часть, включающую цифровую камеру 1 с приемным объективом 2 и коллимирующий объектив 3, в виде компактной оптической головки и обеспечить полужесткий контакт ее с образцом, при котором угловые и поступательные перемещения образца как целого передаются оптической системе и, тем самым, не проявляются на изображениях, а деформации растяжения и сжатия не передаются оптической системе и регистрируются ею. На фиг.2 показана конструктивная схема оптической головки, включающая цифровую камеру 1, приемный объектив 2 цифровой камеры, коллимирующий объектив 3, светозащитный тубус 4, монтажную балку 5 как основание, кронштейн 6 крепления камеры, кронштейн 7 крепления тубуса, а также механический узел, включающий упорную планку 8, обеспечивающую две опоры на образец, жестко связанные с монтажной балкой, и упругую балку 10 с прижимной планкой 9, обеспечивающие две полужесткие опоры на образец, винты фиксации 11 опор на образце 12 и петлю подвеса 13, установленную на монтажной балке напротив центра тяжести оптической головки. На схеме не показан осветитель, также входящий в состав оптической головки предлагаемого устройства. Полужесткий контакт обеспечивают конструктивные элементы 8-11. Для минимизации силового воздействия веса оптической системы на образец, предложено также вывешивать оптическую систему в поле силы тяжести, например, с помощью цилиндрической пружины на петле 13.
Возможность реализации подтверждена действующим макетом устройства, который прошел успешные испытания не только в лабораторных условиях, но и в условиях промышленных испытаний. Пример полей продольной Δx и поперечной Δy деформации, а также четырех компонентов , ,  и  относительной деформации, полученных с помощью предлагаемого устройства при испытаниях образца из алюминиевого сплава с отверстием в середине, приведен на фиг.4.
Разработано устройство для бесконтактных измерений распределенных касательных деформаций поверхности. Практическое применение полезной модели показало высокую помехозащищенность устройства, а, следовательно, повышение точности и надежности измерений распределенных касательных деформаций поверхности.