ОПТИЧЕСКОЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ПОВЕРХНОСТЕЙ ОБЪЕКТОВ КОНТРОЛЯ
OPTICAL INTERFERENTIAL DEVICE FOR MEASUREMENT OF MOVEMENTS OF SURFACES OF CONTROLLED OBJECTS

Предлагаемое техническое решение относится к области измерительной техники, а именно к оптическим устройствам, основанным на использовании оптических интерференционных методов, для бесконтактного измерения перемещений поверхностей объектов контроля (например, конструкций, зданий, сооружений и т.п.) при диагностике их состояния в составе как стационарных, так и мобильных диагностических станций.
Известны оптические устройства для измерения малых линейных перемещений поверхностей объектов контроля, основанные на применении интерференционных методов [1], [2], [3], [4] и др., содержащие оптически связанные и последовательно размещенные источник когерентного оптического излучения, оптическую систему, светоделитель, отражатель, жестко закрепленный на поверхности объекта контроля, и экран с установленными на нем фотоприемными устройствами. При этом полученная совмещением опорного и объектного пучков интерференционная картина, представляющая собой совокупность колец различной интенсивности, проецируется на экран, а фотоприеные устройства, установленные в заданных областях (например, в кольцах и т.п.) интерференционной картины, регистрируют изменения интенсивности оптического поля, которые однозначно связаны с перемещениями поверхности объекта контроля.
Существенными недостатками отмеченных технических решений являются ограничение их функциональных возможностей, высокая трудоемкость подготовки к проведению измерений и низкая точность результатов измерений. Ограничение функциональных возможностей обусловлено малым (порядка миллиметра) диапазоном измеряемых значений перемещений поверхности объекта контроля, т.к. отражатель жестко закреплен на поверхности объекта контроля, при этом расстояние между его внешней поверхностью и внутренней поверхностью светоделителя для получения интерференционной картины будет незначительным (порядка миллиметра), а следовательно, и перемещение поверхности объекта контроля в направлении внутренней поверхности светоделителя не может превышать этого значения перемещения, иначе происходит опирание отражателя на светоделитель и разрушение измерительного устройства в процессе проведения измерений. Высокая трудоемкость подготовки к проведению измерений обусловлена тем, что перед началом проведения любого отдельного вида испытаний, а соответственно и измерений, необходимо произвести индивидуальные установку (закрепление) и настройку (регулировку и фиксацию положения) каждого из оптических элементов отмеченных устройств для достижения совмещения опорного и объектного пучков и получения интерференционной картины в области размещения экрана, что значительно увеличивает трудоемкость подготовки к проведению испытаний. Низкая точность результатов измерений обусловлена тем, что на оптические элементы устройств и фотоприемное устройство в процессе проведения измерений воздействуют внешние источники оптического излучения (естественное освещение, осветительные приборы и т.п.), при этом интенсивности этих излучений и их изменения во времени носят случайный характер, что вносит случайные погрешности в результаты измерений, снижая их точность. К недостатку описанных технических решений, снижающему точность результатов измерений, также относится искажение результатов измерений отражателем, жестко закрепленным на поверхности объекта контроля, который, не являясь частью исследуемого объекта контроля, влияет на результаты измерений перемещений его поверхности. Необходимо отметить, что техническое решение [4] позволяет снизить трудоемкость подготовки к проведению измерений и повысить точность результатов измерений за счет исключения воздействия внешних источников оптического излучения, однако имеет описанные выше существенные недостатки - ограничение функциональных возможностей и низкую точность результатов измерений за счет искажения результатов измерений отражателем, жестко закрепленным на поверхности объекта контроля, который, не являясь частью исследуемого объекта контроля, влияет на результаты измерений перемещений его поверхности.
По совокупности признаков наиболее близким аналогом предлагаемого устройства, принимаемым за прототип, является оптическое устройство для измерения перемещений поверхностей объектов контроля [5], содержащее оптически связанные и последовательно размещенные источник когерентного оптического излучения, оптическую систему, фокусирующую излучение на поверхность объекта контроля в виде светящейся точки, светоделитель, отражатель, фотоприемное устройство для регистрации интенсивности оптического поля в заданной области интерференционной картины и преобразователь, предназначенный для определения перемещений поверхности объекта контроля по результатам измерения интенсивности оптического поля в заданной области интерференционной картины и регистрации полученного результата, при этом светоделитель, отражатель и фотоприемное устройство жестко закреплены на общем основании, снабженном механизмом перемещения, выполненным с возможностью увеличения расстояния между поверхностью объекта контроля и внешней поверхностью светоделителя при увеличении диапазона измеряемых перемещений и уменьшения расстояния между поверхностью объекта контроля и внешней поверхностью светоделителя при уменьшении диапазона измеряемых перемещений.
Существенными недостатками данного устройства являются высокая трудоемкость подготовки к проведению измерений и низкая точность результатов измерений. Высокая трудоемкость подготовки к проведению измерений обусловлена тем, что перед началом проведения любого отдельного вида испытаний, а соответственно и измерений, необходимо произвести индивидуальные установку (закрепление) и настройку (регулировку и фиксацию положения) каждого из оптических элементов описанного устройства для достижения совмещения опорного и объектного пучков и получения интерференционной картины в области размещения экрана, что значительно увеличивает трудоемкость подготовки к проведению испытаний. Низкая точность результатов измерений обусловлена тем, что на оптические элементы устройств и фотоприемное устройство в процессе проведения измерений воздействуют внешние источники оптического излучения (естественное освещение, осветительные приборы и т.п.), при этом интенсивности этих излучений и их изменения во времени носят случайный характер, что вносит случайные погрешности в результаты измерений, снижая их точность.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является снижение трудоемкости подготовки к проведению измерений и повышение точности результатов измерений.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что оптическое интерференционное устройство для измерения перемещений поверхностей объектов контроля содержит оптически связанные и последовательно размещенные источник когерентного оптического излучения, оптическую систему, фокусирующую излучение на поверхность объекта контроля в виде светящейся точки, установленные с возможностью перемещения относительно поверхности объекта контроля и жестко скрепленные между собой светоделитель и отражатель, экран с установленными на нем фотоприемными устройствами для регистрации интенсивности оптического поля в заданных областях интерференционной картины и преобразователь, предназначенный для определения перемещений поверхности объекта контроля по результатам измерения интенсивности оптического поля в заданных областях интерференционной картины и регистрации полученного результата. Согласно изобретению устройство дополнительно содержит закрепленное на основании устройство для регулировки и фиксации его положения относительно поверхности объекта контроля, соединенный с ним цилиндрический корпус, во внутренней полости которого установлены источник когерентного оптического излучения и оптическая система с индивидуальными устройствами для регулировки и фиксации их положения, опорную балку, выполненную составной в виде соединенных между собой разъемным соединением однотипных цилиндрических элементов, светонепроницаемый защитный корпус, установленный с возможностью перемещения вдоль опорной балки, во внутренней полости которого установлены жестко скрепленные между собой светоделитель и отражатель с устройством для регулировки и фиксации их положения и экран с устройством для регулировки и фиксации его положения, при этом в защитном корпусе выполнено окно для обеспечения оптического контакта излучения от светящейся точки на поверхности объекта контроля со светоделителем и отражателем, на концах цилиндрического корпуса и опорной балки, обращенных к поверхности объекта контроля, установлен поворотный шарнир, а между цилиндрическим корпусом и опорной балкой установлено устройство для регулировки и фиксации положения опорной балки относительно цилиндрического корпуса.
Сущность изобретения поясняется чертежом, представленным на фиг.1, где схематично изображено предлагаемое оптическое интерференционное устройство для измерения перемещений поверхностей объектов контроля.
Предлагаемое оптическое интерференционное устройство для измерения перемещений поверхностей объектов контроля содержит основание 1, устройство 2 для регулировки и фиксации положения, скрепленное с основанием 1 и концом 3 цилиндрического корпуса 4, во внутренней полости 5 которого размещены источник 6 когерентного оптического излучения с устройством 7 для регулировки и фиксации его положения и оптическая система 8 с устройством 9 для регулировки и фиксации ее положения, поворотный шарнир 10, установленный на конце 11 цилиндрического корпуса 4, обращенного к поверхности 12 объекта контроля 13, соединяющий цилиндрический корпус 4 с опорной балкой 14, подвижную опору 15 с устройством 16 для регулировки и фиксации ее положения, размещенную на поверхности 17 опорной балки 14, опорную пластину 18, жестко закрепленную на подвижной опоре 15, светонепроницаемый защитный корпус 19 с окном 20, во внутренней полости 21 которого размещены жестко скрепленные между собой в фиксированном положении светоделитель 22 и отражатель 23 с устройством 24 для регулировки и фиксации их положения, а также экран 25 с устройством 26 для регулировки и фиксации его положения.
На экране 25 в заданных областях интерференционной картины установлены фотоприемные устройства 27.
Опорная балка 14 выполнена составной в виде однотипных цилиндрических элементов 28, соединенных между собой разъемным соединением, например, при помощи резьбового соединения 29.
Цилиндрический корпус 4 и опорная балка 14 соединены между собой при помощи устройства 30 для изменения и фиксации положения (угла) между ними с использованием поворотного шарнира 10.
Предлагаемое устройство также содержит преобразователь (на фиг.1 не показан), который электрически связан с фотоприемными устройствами 27 и предназначен для определения перемещений поверхности 12 объекта контроля 13 по результатам измерения интенсивности оптического поля в заданных областях интерференционной картины фотоприемными устройствами 27, а также для регистрации полученных результатов измерений перемещений.
Оптическая система 8 фокусирует излучение 31 от источника 6 на поверхность 12 объекта контроля 13 в виде светящейся точки 32, которая, в свою очередь, является точечным источником излучения, расположенным на поверхности 12 объекта контроля 13.
Окно 20 светонепроницаемого защитного корпуса 19 обеспечивает оптический контакт излучения 33 от светящейся точки 32 со светоделителем 22 и отражателем 23.
Далее излучение 33 от светящейся точки 32 попадает на светоделитель 22, который его разделяет на два луча: один луч 34 отражается от поверхности самого светоделителя 22, а другой 35 - от поверхности отражателя 23.
Пространственное совмещение этих лучей происходит в области размещения экрана 25 - в области наблюдения интерференционной картины.
Предлагаемое техническое решение работает следующим образом.
Перед началом испытаний объекта контроля 13, а соответственно и измерений перемещений его поверхности 12, предлагаемое устройство в сборе устанавливают на основании 1 при помощи устройства 2 для регулировки и фиксации его положения.
Диапазон возможных значений перемещений поверхности 12 объекта контроля 13 в процессе проведения испытаний априорно известен, а соответственно может быть определено расстояние между поверхностью 12 объекта контроля 13 и внешней поверхностью светоделителя 22, соответствующее данному диапазону изменения перемещений. Для этого используется зависимость изменения чувствительности предлагаемого устройства от расстояния между поверхностью 12 объекта контроля 13 и внешней поверхностью светоделителя 22, полученная экспериментально при метрологическом обслуживании, см., например, [5], [6], [7].
Подвижную опору 15 при помощи устройства 16 перемещают по поверхности 17 опорной балки 14 до достижения требуемого расстояния между поверхностью 12 объекта контроля 13 и внешней поверхностью светоделителя 22. При необходимости длину опорной балки 14 увеличивают, присоединяя дополнительно однотипные цилиндрические элементы 28.
Далее, используя устройства 7 и 9, оптической системой 8 фокусируют излучение 31 источника 6 на поверхность 12 объекта контроля 13 в виде светящейся точки 32.
При помощи поворотного шарнира 10 и устройства 30 регулируют положение (угол) опорной балки 14 относительно цилиндрического корпуса 4 до достижения оптического контакта излучения 33 от светящейся точки 32 со светоделителем 22 и отражателем 23.
Излучение 33 от светящейся точки 32 попадает на светоделитель 22, который его разделяет на два луча: один луч 34 отражается от поверхности самого светоделителя 22, а другой 35 - от поверхности отражателя 23.
Пространственное совмещение этих лучей происходит в области размещения экрана 25 - в области наблюдения интерференционной картины.
Фотоприемные устройства 27 регистрируют интенсивность оптического поля в заданной области интерференционной картины. Преобразователь определяет перемещение поверхности 12 объекта контроля 13 по результатам измерения интенсивности оптического поля фотоприемными устройствами 27 и регистрирует полученные результаты измерений перемещений.
Защитный корпус 19, во внутренней полости 21 которого размещены светоделитель 22, отражатель 23 и экран 25 с установленными на нем фотоприемными устройствами 27, обеспечивает защиту перечисленных оптических элементов в процессе проведения измерений от воздействия внешних источников оптического излучения.
При увеличении диапазона измеряемых перемещений расстояние между поверхностью 12 объекта контроля 13 и внешней поверхностью светоделителя 22 увеличивают, при уменьшении диапазона измеряемых перемещений данное расстояние уменьшают.
Техническим результатом предлагаемого устройства для измерения перемещений является снижение трудоемкости подготовки к проведению измерений и повышение точности результатов измерений.
Проведенный сравнительный анализ выявил, что в отличие от устройств-аналогов и устройства-прототипа предлагаемое устройство характеризуется новыми признаками, а именно - новыми конструктивными элементами, имеющими новые форму и расположение в предлагаемом устройстве, позволяющими снизить трудоемкость подготовки к проведению измерений и повысить точность результатов измерений.
Предлагаемое устройство, сохраняя положительные качества приведенных в описании аналогов и прототипа, отличается по сравнению с ними снижением трудоемкости подготовки к проведению измерений и повышением точности результатов измерений и может быть применено в процессе высокоточных измерений линейных и угловых перемещений поверхностей объектов контроля при проведении экспериментальных исследований перспективных конструкций, зданий, сооружений и т.п., оценке их технического состояния и диагностике состояния в составе как стационарных, так и мобильных диагностических станций, при исследовании акустико-эмиссионных процессов в твердых телах, исследовании процессов дефектообразования в ленточных высокотемпературных сверхпроводниках, исследовании волновых процессов в слоистых конструкциях и конструкциях, выполненных из анизотропных конструкционных материалов, в машиностроении, судостроении, авиастроении и т.п.
Источники информации
1. Батраков А.С., Бутусов М.М., Гречка Г.П. и др. Лазерные измерительные системы. / Под ред. Д.П. Лукьянова. - М.: Радио и связь, 1981. - 456 с.
2. Патент РФ №2373492 по заявке №2007144257/28 от 28.11.2007 г., МПК 8 G01B 11/00, G01B 21/00, опубл. 20.11.2009 г., бюл. №32.
3. Патент РФ на изобретение №2388994 по заявке №2008141364/28 от 20.10.2008 г., МПК 8 G01B 11/00, G01B 9/02, опубл. 10.05.2010 г., бюл. №13.
4. Патент РФ №2407988 по заявке №2009101829/28 от 20.01.2009 г., МПК 8 G01B 9/02, G01B 11/02, опубл. 27.07.2010 г., бюл. №36.
5. Патент РФ №2343402 по заявке №2007110767/28 от 26.03.2007 г., МПК 8 G01B 9/00, опубл. 10.01.2009 г., бюл. №1 - прототип.
6. Алехин В.Е., Мирошниченко И.П., Серкин А.Г. Экспериментальное обоснование интерференционного метода измерения перемещений на основе подсвечивания поверхности объекта контроля. // Измерительная техника. 2008. №10. С.26-30.
7. Мирошниченко И.П. Унифицированный оптический измеритель перемещений для систем диагностики технического состояния материалов и изделий. // Контроль. Диагностика. 2010. №2. С.34-37.