УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СПЕКЛ - ИНТЕРФЕРОГРАММ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРОВ

Предлагаемое в качестве полезной модели устройство относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для оценки качества изготовления цилиндрических резонаторов частотных датчиков давления.
Известен способ определения годности цилиндрических резонаторов частотных датчиков давления, основанный на анализе голографической интерферограммы, формирующейся при возбуждении в резонаторе собственных колебаний на резонансной частоте. Наличие неискаженных форм собственных колебаний основного тона в рабочем диапазоне давлений с неизменным положением узлов и пучностей на поверхности резонатора с постепенным изменением числа интерференционных полос при изменении давления от минимального до максимального значения свидетельствует о годности резонатора. Для реализации этого способа было создано устройство, содержащее источник когерентного излучения, оптически связанных между собой опорный и предметный тракты, зеркало дополнительной подсветки, светочувствительный регистратор интерферограмм, а также электронную и пневматическую части устройства (а.с. №1597632, G01L 11/00).
Данное техническое решение имеет ряд недостатков:
- возможность использования только в лабораторных условиях;
- громоздкость конструкции голографической установки;
2
- невозможность одновременного получения информации о всей поверхности резонатора;
- сложность методики процедуры измерения и контроля;
- трудность получения результатов контроля в реальном масштабе времени;
- высокие требования к механической стабильности элементов установки (0,1λ).
Перечисленных недостатков лишены устройства, создаваемые на базе методов электронной спекл-интерферометрии (см., например, Джоунс Р., Уайкс К. Голографическая и спекл-интерферометрия. - М.: Мир, 1986 г.). Эти методы дают возможность наблюдать интерференционную картину колеблющегося объекта на экране монитора, минуя какой-либо промежуточный носитель информации. Здесь интерференционная картина формируется непосредственно в памяти компьютера, связанного с видеокамерой, установленной на выходе устройства. Для реализации метода электронной спекл-интерферометрии было создано и исследовано устройство для оценки годности цилиндрических резонаторов с зеркально отражающей поверхностью, содержащее источник оптического когерентного излучения, оптически связанные между собой опорный и предметный тракты с формирователями света, коническое кольцевое зеркало подсветки поверхности резонатора и электрически связанные видеокамера, персональный компьютер и монитор (см., патент РФ на изобретение №2245527, G01L 11/00, 2005).
В результате проведенных исследований было установлено, что при получении спекл-интерферограмм колеблющегося цилиндрического резонатора 3
основной проблемой является их низкое качество, обусловленное наличием оптического и электронного шумов.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для определения годности цилиндрических резонаторов частотных датчиков давления, содержащее источник оптического когерентного излучения, оптически связанные между собой опорный и предметный тракты с формирователями света, коническое кольцевое зеркало подсветки, узел закрепления резонатора, оптическую систему формирования картины интерференции и систему технического зрения, которая состоит из видеокамеры и устройства отображения интерферограммы. При этом в оптическую систему видеокамеры в фокусе последней включена регулируемая диафрагма и приводной шаговый двигатель, а видеовыход видеокамеры соединен с пиковым вольтметром и вольтметром среднего значения, выход которого соединен через инвертор с первым входом сумматора, ко второму входу которого подключен выход пикового вольтметра. При этом выход сумматора подключен к первому входу делителя, второй вход которого соединен с выходом вольтметра среднего значения, а выход - с экстремальным регулятором с запоминанием и устройством самовыключения, подключенного выходом к шаговому двигателю (патент РФ на изобретение №2315963, G01L 27/00).
К недостаткам данного прототипа относятся низкое качество получения спекл-интерферограмм.
Задачей заявляемой полезной модели является улучшение качества спекл-интерферограмм.
4
Достигается это за счет того, что устройство для получения спекл-интерферограмм цилиндрических резонаторов содержит источник оптического когерентного излучения, коллиматор, оптически связанные между собой опорный и предметный тракты с формирователями света, коническое кольцевое зеркало подсветки, узел крепления резонатора, цифровую видеокамеру, электрически связанную с монитором через персональный компьютер.
Также достигается за счет того, что опорный тракт выполнен в виде зеркала с поверхностным напылением и установлен в приспособлении, позволяющим поворачивать зеркало в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Также достигается за счет того, что коллиматор выполнен в виде короткофокусной и двояковогнутой линзы и диффузного стекла, закрепленного в приспособлении, которое позволяет перемещать диффузионное стекло между линзами коллиматора вдоль оптической оси.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежом и фотографиями, где:
на фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства;
на фиг. 2 - интерференционная картина, полученная у прототипа;
на фиг. 3 - интерференционная картина, полученная с помощью заявляемого устройства.
Принципиальная схема устройства содержит:
1 - лазер;
2 - короткофокусную и двояковогнутую линзу;
3 - диффузное стекло;
5
4 - двояковыпуклую линзу;
5 - полупрозрачное зеркало;
6 - кольцевое коническое зеркало;
7 - цилиндрический резонатор;
8 - отражательное зеркало;
9 - цифровую видеокамеру;
10 - персональный компьютер;
11 - монитор;
12 - звуковой генератор;
13 - осциллограф.
Оптическая часть устройства содержит источник оптического когерентного излучения - лазер 1 (см. фиг. 1), а также коллиматор, состоящий из оптически связанных короткофокусной и двояковогнутой линзы 2, диффузного стекла 3, предназначенного для формирования требуемого размера спеклов на зеркальной поверхности цилиндрического резонатора 7, и двояковыпуклой линзы 4. Причем фокусы линз совмещены; полупрозрачное зеркало 5 с коэффициентом отражения 0,5 предназначено для формирования предметной и опорной световых волн; кольцевое коническое зеркало 6 подсветки, которое имеет при вершине конуса угол 90°.
В основании меньшего диаметра кольцевого конического зеркала 6, крепится цилиндрический резонатор 7. При этом геометрическая ось цилиндрического резонатора совмещена с оптической осью кольцевого конического зеркала 6. Для того чтобы освещалась вся поверхность резонатора, основание 6
большего диаметра D кольцевого конического зеркала 6, должно удовлетворять условию:
D≥d+1,
где: d - диаметр резонатора,
l - длина резонатора.
Отраженное от поверхности цилиндрического резонатора 7 лазерное излучение, с помощью зеркал 6 и 5, направляется в оптическую систему цифровой видеокамеры 9. Туда же направляется спекловая опорная волна с помощью отражательного зеркала 8.
Для регистрации спекловых изображений используется цифровая видеокамера 9.
Электронная часть устройства содержит звуковой генератор 12 и осциллограф 13. Цилиндрический резонатор 7 имеет (не показаны на чертеже) расположенные внутри него две электромагнитные катушки возбуждения и съема сигнала колебаний, полюса которых развернуты друг относительно друга на 90°. При этом катушка возбуждения резонатора подключена к звуковому генератору 12, а катушка съема сигнала - к осциллографу 13.
Для регистрации, обработки, формирования и отображения изображения спекл-интерферограмм, помимо цифровой видеокамеры 9, используется персональный компьютер 10 и монитор 11.
Работа предлагаемого устройства заключается в следующем.
Сначала в цилиндрическом резонаторе 7 возбуждаются собственные колебания на основном тоне за счет подачи на него сигнала звукового генератора 7
12, контролируя при этом значение сигнала возбуждения, его частоту и форму с помощью осциллографа 13. Затем резонатор освещается лазерным излучением предметного тракта, сформированного из луча лазера 1, прошедшего через коллиматор с диффузным стеклом 3 и полупрозрачное зеркало 5. Диффузионное стекло 3 расположено между линзами 2 и 4 и закреплено в приспособлении, которое позволяет его перемещать вдоль оптической оси. Это дает возможность изменять размеры спеклов и, тем самым, согласовывать их размеры с разрешающей способностью цифровой видеокамеры 9. Диффузное стекло 3 предназначено для создания спекловой структуры освещения зеркальной поверхности цилиндрического резонатора 7. Полученный таким образом параллельный пучок света поступает на кольцевое коническое зеркало 6, а затем на зеркальную поверхность цилиндрического резонатора 7, освещая полностью всю его поверхность в диапазоне 360°.
Далее, отраженный от поверхности цилиндрического резонатора 7 свет вновь возвращается на кольцевое коническое зеркало 6, которое имеет угол при вершине конуса 90°, и направляет его с тем же самым световым диаметром на полупрозрачное зеркало 5 и далее - на светочувствительную поверхность цифровой видеокамеры 9. Сюда же поступает спекловый пучок света опорного тракта, направляемый отражательным зеркалом 8, которое крепится в приспособлении, имеющим возможность поворачивать это зеркало в горизонтальной и вертикальной плоскостях для реализации юстировочной операции.
В результате взаимодействия опорной световой волны со световым распределением изображения поверхности цилиндрического резонатора 7, 8
отображаемом в кольцевом коническом зеркале 6, на поверхности светочувствительного элемента цифровой видеокамеры 9 регистрируется голограмма механических колебаний поверхности исследуемого резонатора. Голограмма на поверхности светочувствительного элемента видеокамеры существует в виде электрического потенциального рельефа. Этот рельеф считывается и преобразуются в электрические сигналы, которые передаются в персональный компьютер 10 и хранятся в его памяти.
Для получения спекл-интерферограммы колеблющегося резонатора требуется занесение в память компьютера голограммы неколеблющегося резонатора. Далее, путем вычитания одной голограммы из другой с помощью компьютера и использования программного обеспечения на базе пакета Photoshop и MatLab, формируется и отображается на экране монитора 11 спекл-интерферограмма форм собственных колебаний цилиндрического резонатора 7, которая показана на фиг. 3.
Из сравнения спекл-интерферограмм, полученной с помощью прототипа (фиг. 2) со спекл-интерферограммой, полученной с помощью заявляемого устройства для получения спекл-интерферограмм цилиндрических резонаторов (фиг. 3) следует, что приложенная схема устройства позволяет достигнуть высокого контраста интерферограмм за счет оптимизирования отношения сигнал/шум.
Таким образом, предложенное в качестве полезной модели устройство для получения спекл-интерферограмм цилиндрических резонаторов повышает на 25-30% контраст спекл-интерферограммы цилиндрических резонаторов.
9
Заявленное в качестве полезной модели устройство также позволяет упростить процедуру юстировки и регулировки устройства при оптимизировании схемного и конструктивного решения. Юстировка сводится к обеспечению перпендикулярности друг к другу оптических осей предметного и опорного трактов с точностью 1°, а также их совмещению в горизонтальной плоскости за счет регулировки положения отражательного зеркала в опорном тракте.