СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНОЙ И УГЛОВЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ МАЛЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ПОВЕРХНОСТЕЙ ОБЪЕКТОВ КОНТРОЛЯ
METHOD OF MEASURING LINEAR AND ANGULAR COMPONENTS OF SMALL MOVEMENTS OF SURFACES OF CONTROLLED OBJECTS

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к способам измерения малых перемещений поверхностей объектов контроля оптическими лазерными датчиками, основанными на использовании интерференционных методов.
Известны способы измерения малых перемещений поверхностей объектов контроля оптическими лазерными интерферометрами, реализованные в устройствах для измерения малых перемещений, предложенных, например, в работах [1] (Матвеев А.Н. Оптика. - М.: Высшая школа, 1985. - 351 с.), [2] (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.), [3] (Патент РФ №2373492 по заявке №2007144257/28 от 28.11.2007 г., МПК 9 G01В 11/00, G01В 21/00, Опубл. 20.11.2009 г., Бюл. №32), заключающиеся в том, что на экран проецируют максимум нулевого порядка интерференционной картины в виде совокупности колец различной интенсивности, полученной при совмещении в лазерном интерферометре когерентных пучков, отраженных соответственно от светоделителя и поверхности объекта контроля (или отражателя, жестко закрепленного на поверхности объекта контроля), в плоскости экрана в заданных областях интерференционной картины (например, в кольцах одинаковой и (или) различной интенсивности) размещают фотоприемные устройства (например, фотодиоды и т.п.), при помощи которых измеряют интенсивность оптического поля по месту их установки при изменении положения поверхности объекта контроля, т.е. при ее перемещении, а отмеченное перемещение поверхности объекта контроля определяют по изменению однозначно связанной с ним интенсивности оптического поля интерференционной картины, измеренной фотоприемными устройствами.
Существенным недостатком данных способов является невозможность одновременного измерения линейной и угловых составляющих малого перемещения поверхности объекта контроля, т.к. описанные способы позволяют измерять только линейную или только отдельно взятую угловую составляющую малого перемещения поверхности объекта контроля. На практике при проведении испытаний реальных объектов контроля возникающие перемещения их поверхностей, как правило, имеют и линейную, и угловые составляющие, поэтому невозможность одновременной регистрации как линейной, так и угловых составляющих значительно снижает информативность получаемых результатов измерений, требуют установки дополнительных устройств для регистрации угловых составляющих возникающих перемещений, усложняя конструкцию измерительного устройства и т.д., т.е. существенно ограничивают область применения описанных выше способов.
По совокупности признаков наиболее близким аналогом предлагаемого способа, принимаемым за прототип, является способ измерения линейных и угловых перемещений, описанный в работе [4] (Патент РФ №2388994 по заявке №2008141364/28 от 20.10.2008 г., МПК 9 G01В 11/00, G01В 9/02, Опубл. 10.05.2010 г., Бюл. №13), заключающийся в том, что в качестве светоделителя лазерного интерферометра используют синусоидальную дифракционную решетку, на экран проецируют максимумы +1 и -1 порядков интерференционной картины в виде совокупности колец различной интенсивности, полученной при совмещении в лазерном интерферометре когерентных пучков, отраженных соответственно от светоделителя и поверхности объекта контроля, фотоприемные устройства разделяют на две группы, каждую группу размещают в соответствующих областях максимумов +1 и -1 порядков интерференционной картины, далее одновременно измеряют интенсивность оптического поля каждой из групп фотоприемников, а измеренные значения линейной и угловой составляющей малого перемещения поверхности объекта контроля определяют на основании двух значений интенсивности, измеренных указанными группами фотоприемников в соответствующих областях максимумов +1 и -1 порядков интерференционной картины по известным зависимостям, связывающим интенсивность с линейным и угловым перемещением объекта контроля, при этом в качестве результата измерения принимают то значение линейной и угловой составляющих перемещения, которое удовлетворяет обоим значениям измеренной интенсивности в соответствующих областях интерференционных картин максимумов +1 и -1 порядков интерференционной картины.
Существенным недостатком данного способа является невозможность одновременного измерения линейной и угловых составляющих малого перемещения поверхности объекта контроля. Отмеченный недостаток обусловлен тем, что в этом случае нарушается однозначная связь между действительным перемещением объекта контроля и значением интенсивности оптического поля интерференционной картины, измеренным фотоприемным устройством, в результате чего измеренному значению интенсивности соответствует множество различных значений линейной и угловых составляющих перемещения поверхности объекта контроля и определить его действительное перемещение невозможно. На практике при проведении испытаний реальных объектов контроля возникающие перемещения их поверхностей, как правило, имеют линейную и угловые составляющие, поэтому невозможность одновременной регистрации как линейной, так и угловых составляющих значительно снижает информативность получаемых результатов измерений, требует установки дополнительных устройств для регистрации угловых составляющих возникающих перемещений, усложняя конструкцию измерительного устройства и т.д. По этой причине способ, принимаемый за прототип, может быть применим к измерению линейной и только одной угловой составляющих перемещения при условии, что влиянием другой угловой составляющей можно пренебречь. Таким образом, данное обстоятельство в значительной степени ограничивает функциональные возможности данного способа и область его применения.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение функциональных возможностей способов измерения малых перемещений поверхностей объектов контроля оптическими лазерными интерферометрами.
Сущность предлагаемого способа заключается в том, что максимумы интерференционной картины в виде совокупности колец различной интенсивности, полученной при совмещении в лазерном интерферометре когерентных пучков, отраженных соответственно от светоделителя и поверхности объекта контроля, проецируют на экран, в плоскости экрана в заданных областях интерференционной картины размещают фотоприемные устройства, при помощи которых измеряют интенсивность оптического поля по месту их установки при изменении положения поверхности объекта контроля, а отмеченное перемещение поверхности объекта контроля определяют по изменению однозначно связанной с ним интенсивности оптического поля в интерференционной картине, измеренной фотоприемными устройствами. В соответствии с изобретением в качестве светоделителя лазерного интерферометра используют фазовую решетку, на экран проецируют максимумы +1, 0 и -1 порядков интерференционной картины, фотоприемные устройства разделяют на три группы, каждую группу размещают в соответствующих областях максимумов +1, 0 и -1 порядков интерференционной картины, далее одновременно измеряют интенсивность оптического поля каждой из групп фотоприемников, а значения линейной и угловых составляющих малого перемещения поверхности объекта контроля определяют на основании трех значений интенсивности, измеренных указанными группами фотоприемников в соответствующих областях максимумов +1, 0 и -1 порядков по известным для каждого максимума зависимостям, связывающим интенсивность с линейным и угловыми составляющими малого перемещения поверхности объекта контроля, при этом в качестве результата измерения принимают то значение линейной и угловых составляющих перемещения, которое одновременно удовлетворяет трем значениям измеренной интенсивности в соответствующих областях максимумов +1, 0 и -1 порядков интерференционной картины.
Предлагаемое техническое решение позволяет решить поставленную задачу - обеспечить одновременное измерение как линейной, так и угловых составляющих малых перемещений поверхностей объектов контроля. Как уже отмечалось при рассмотрении способов-аналогов и способа-прототипа, измеренным значениям интенсивности соответствуют множество различных значений линейной и угловых составляющих перемещения, зависимость интенсивности оптического поля интерференционной картины от линейного и от угловых перемещений известны и могут быть заданы для каждого максимума в табличном виде или функционально в виде системы трансцендентных уравнений, причем для каждого из максимумов +1, 0 и -1 порядков эта зависимость различна. Значения линейной и угловых составляющих перемещения, которые будут удовлетворять значениям интенсивности оптического поля, измеренным фотоприемными устройствами в указанных областях максимумов +1, 0 и -1 порядков интерференционной картины, и будет соответствовать действительному перемещению объекта контроля.
Линейную и угловые составляющие перемещения объекта контроля определяют на основании значений интенсивности, измеренных указанными группами фотоприемников в максимумах +1, 0 и -1 порядков, по известным для каждого максимума зависимостям интенсивности от линейного и угловых составляющих перемещений поверхности объекта контроля, при этом за результат измерения принимают то значение линейной и угловых составляющих перемещения, которое одновременно удовлетворяет измеренным значениям интенсивности в максимумах +1, 0 и -1 порядков интерференционной картины.
Техническим результатом предлагаемого способа является расширение функциональных возможностей способов измерения малых перемещений поверхностей объекта контроля оптическими лазерными интерферометрами за счет обеспечения одновременного измерения линейной и угловых составляющих малого перемещения.
Проведенный сравнительный анализ выявил, что в отличие от способов-аналогов и способа-прототипа предлагаемый способ характеризуется новыми действиями над материальными объектами, позволяющими достигнуть технического результата, а именно расширить функциональные возможности способов измерения малых перемещений поверхностей объектов контроля оптическими лазерными интерферометрами за счет обеспечения одновременного измерения линейной и угловых составляющих малого перемещения.
Схема одного из возможных вариантов устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на фиг. 1, а на фиг. 2 представлен внешний вид интерференционной картины в области экрана.
Данное устройство содержит источник 1 когерентного оптического излучения (лазер), оптическую систему 2, преобразующую излучение источника 1 в расходящийся пучок, светоделитель 3, выполненный в виде фазовой решетки, отражатель 4, жестко закрепленный на поверхности 5 объекта контроля, экран 6, в плоскости которого установлены с возможностью регулировки положения фотоприемные устройства 7 (например, фотодиоды и т.п.), разделенные на три группы 8, 9 и 10, каждая из которых размещена в соответствующих областях максимумов -1 порядка 11,0 порядка 12 и +1 порядка 13 интерференционной картины 14.
Фотоприемные устройства 7 электрически соединены с системой регистрации, обработки и отображения результатов измерений (на фиг. 1 не показана).
Отражатель 4 удален от внутренней поверхности светоделителя 3 на расстояние h.
Отражатель 4 и светоделитель 3 расположены друг к другу под углом α. Возможным может быть также вариант, при котором отражатель 4 отсутствует, а его функции в этом случае непосредственно выполняет сама отражающая поверхность 5 объекта контроля.
Максимумы -1 порядка 11, 0 порядка 12 и +1 порядка 13 интерференционной картины 14 проецируются на экран 6.
Предлагаемый способ реализуется в описанном устройстве следующим образом.
В процессе проведения испытаний при возникновении линейной Δh и (или) угловых Δα и Δβ составляющих перемещения поверхности 5 объекта контроля происходит изменение интенсивности оптического поля в максимумах -1 порядка 11, 0 порядка 12 и +1 порядка 13 интерференционной картины 14, в том числе и в соответствующих их областях по месту установки выделенных групп 8, 9 и 10 фотоприемников 7.
Фотоприемники 7 регистрируют интенсивность оптического поля, при этом результатами измерений являются значения интенсивностей, полученные от каждой из групп 8, 9 и 10 фотоприемников 7.
Системой регистрации, обработки и отображения результатов измерений производят регистрацию значений интенсивности от каждой из групп 8, 9 и 10 фотоприемников 7 и производят их обработку.
Возможным вариантом обработки является, например, решение системы трансцендентных уравнений вида:
1
1
I(Δh, Δα, Δβ)=J;
2
2
I(Δh, Δα, Δβ)=J;
3
3
I(Δh, Δα, Δβ)=J,
1
2
3
1
2
3
где I(Δh, Δα, Δβ), I(Δh, Δα, Δβ), I(Δh, Δα, Δβ) - известные зависимости соответственно для максимумов -1 порядка 11, 0 порядка 12 и +1 порядка 13, связывающие интенсивности соответственно с линейной Δh и угловыми Δα и Δβ составляющими перемещения поверхности 5 объекта контроля; J, J, J - значения интенсивности, измеренные каждой из групп 8, 9 и 10 фотоприемников 7, установленных в соответствующих областях максимумов -1 порядка 11, 0 порядка 12 и +1 порядка 13 интерференционной картины 14.
1
2
3
Результатом обработки являются значения линейной Δh и значения угловых Δα и Δβ составляющих перемещения поверхности 5 объекта контроля, одновременно удовлетворяющие значениям интенсивности J, J и J.
Заявляемый способ, сохраняя положительные качества приведенных в описании способов-аналогов и способа-прототипа, обеспечивает по сравнению с ними расширение функциональных возможностей способов измерения малых перемещений поверхностей объектов контроля оптическими лазерными интерферометрами за счет одновременного измерения линейной и угловых составляющих малого перемещения и может быть использован в процессе высокоточных измерений малых линейных и угловых перемещений поверхностей объектов контроля при проведении экспериментальных исследований, оценке и диагностике состояния образцов конструкционных материалов, фрагментов перспективных изделий и изделий в целом, при регистрации акустико-эмиссионных процессов в твердых телах, исследовании быстропротекающих волновых процессов в слоистых конструкциях сложной формы, выполненных из анизотропных композиционных материалов, исследовании процессов дефектообразования в ленточных высокотемпературных сверхпроводниках и т.п. в машиностроении, судостроении, авиастроении, приборостроении и т.д.
Источники информации
1. Матвеев А.Н. Оптика. - М.: Высшая школа, 1985. - 351 с.
2. 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.
3. Патент РФ №2373492 по заявке №2007144257/28 от 28.11.2007 г., МПК 9 G01В 11/00, G01В 21/00, Опубл. 20.11.2009 г., Бюл. №32.
4. Патент РФ №2388994 по заявке №2008141364/28 от 20.10.2008 г., МПК 9 G01В 11/00, G01В 9/02, Опубл. 10.05.2010 г., Бюл. №13 - прототип.