ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
OPTICAL DEVICE FOR MEASURING DISPLACEMENTS

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к оптическим устройствам для измерения малых линейных и угловых перемещений поверхностей объектов контроля, основанным на применении оптических интерференционных методов.
Известны оптические устройства для измерения малых линейных перемещений поверхностей объектов контроля, основанные на применении интерференционных методов (Патент РФ №2169348 по заявке №99120531/28 от 28.09.1999 г., G01В 9/021, G01С 22/00, опубл. 20.06.2001 г. Бюл. №17) [1], (Попов А.В. Оценка опасности дефектов конструкций по данным бесконтактного акустико-эмиссионного неразрушающего контроля // Автометрия. 2001. №1. С.84-87) [2] 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 фотоприемные устройства, установленные в кольцах интерференционной картины, регистрируют изменения интенсивности оптического поля, которые однозначно связаны с перемещениями поверхности объекта контроля.
Существенными недостатками данных устройств 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 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.
По совокупности признаков наиболее близким аналогом предлагаемого устройства, принимаемым за прототип, является устройство для измерения линейных перемещений оптическим датчиком (Паринов И.А., Попов А.В., Рожков Е.В., Прыгунов А.Г. Калибровка акустических преобразователей методом голографической интерферометрии // Дефектоскопия. 2000. №1. С.66-71) [3], 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 фотоприемные устройства, установленные в кольцах интерференционной картины, регистрируют изменения интенсивности оптического поля, которые однозначно связаны с перемещениями поверхности объекта контроля.
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 устройство для измерения перемещений содержит оптически связанные источник когерентного оптического излучения, оптическую систему, светоделитель, отражатель, жестко закрепленный на поверхности объекта контроля, и фотоприемное устройство. Согласно изобретению устройство дополнительно содержит опорную плиту с центральным отверстием, скрепленную с основанием при помощи устройства для регулировки и фиксации ее положения, на внутренней поверхности плиты, обращенной к поверхности объекта контроля, жестко закреплено фотоприемное устройство, в котором выполнено отверстие, соосное отверстию в плите, и с возможностью регулировки и фиксации положения установлен цилиндрический корпус с размещенными в его полости источником когерентного оптического излучения и оптической системой, а на наружной поверхности плиты с возможностью регулировки и фиксации положения через фланец большого основания закреплен конический корпус, при этом на фланце малого основания конического корпуса жестко закреплены светоделитель и одним концом эластичная светонепроницаемая мембрана, выполненная в виде кольца и опирающаяся противоположным концом на поверхность объекта контроля.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где схематично изображено предлагаемое устройство для измерения перемещений.
Предлагаемое оптическое устройство для измерения перемещений содержит основание 1, опорную плиту 2 с центральным отверстием 3, скрепленную с основанием 1 при помощи устройства 4 для регулировки и фиксации ее положения, цилиндрический корпус 5, в полости 6 которого размещены источник 7 когерентного оптического излучения и оптическая система 8, фотоприемное устройство 9, выполненное в виде прямоугольной матрицы фотоприемников с центральным отверстием 10, соосным центральному отверстию 3 плиты 2, конический корпус 11 с фланцами 12 и 13 жестко скрепленными соответственно с большим и малым основаниями конуса, светоделитель 14, жестко закрепленный на фланце 13, отражатель 15, жестко закрепленный на поверхности 16 объекта контроля 17.
Плита 2 имеет наружную 18 и внутреннюю 19 поверхности, при этом последняя обращена к поверхности 16 объекта контроля 17.
Фотоприемное устройство 9 жестко закреплено на внутренней поверхности 19 плиты 2.
Цилиндрический корпус 5 размещен на наружной поверхности 18 плиты 2 соосно отверстию 3 плиты 2 и отверстию 10 устройства 9 при помощи крепежных элементов 20, обеспечивающих регулировку и фиксацию его положения.
Конический корпус 11 установлен на внутренней поверхности 19 соосно цилиндрическому корпусу 5, отверстию 3 плиты 2 и отверстию 10 фотоприемного устройства 9 при помощи крепежных элементов 21, обеспечивающих регулировку и фиксацию его положения.
На фланце 13 конического корпуса 11 одним концом жестко закреплена эластичная светонепроницаемая мембрана 22, выполненная в виде кольца и опирающаяся противоположным концом на поверхность 16 объекта контроля 17.
Устройство работает следующим образом
Излучение источника 7 когерентного оптического излучения после прохождения оптической системы 8 преобразуется в расходящийся пучок, проходит через отверстия 3 плиты 2 и 10 фотоприемного устройства 9 и попадает на светоделитель 14, где происходит его разделение - одна часть отражается от поверхности светоделителя 14 (опорный пучок), а вторая часть - от отражателя 15 (объектный пучок), жестко закрепленного на поверхности 16 объекта контроля 17.
Полученная при совмещении опорного и объектного пучков интерференционная картина, представляющая собой совокупность колец различной интенсивности, проецируется на фотоприемное устройство 9.
Фотоприемное устройство 9 при перемещении поверхности 16 объекта контроля 17 регистрирует изменение интенсивности оптического поля интерференционной картины, которое соответствует величине данного перемещения.
Результаты измерений от фотоприемного устройства 9 передаются в устройство для регистрации и отображения результатов измерений (на чертеже не показано).
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 малых линейных и угловых перемещений поверхностей объектов контроля при проведении экспериментальных исследований перспективных конструкций, оценке их технического состояния и диагностике, 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. Паринов И.А., Прыгунов А.Г., Рожков Е.В. и др. Измеритель перемещений с объемной голограммой // Патент РФ на изобретение №2169348 по заявке №99120531/28 от 28.09.1999 г., G01В 9/021, G01С 22/00, опубл. 20.06.2001 г. Бюл. №17.
2. Попов А.В. Оценка опасности дефектов конструкций по данным бесконтактного акустико-эмиссионного неразрушающего контроля // Автометрия. 2001. №1. С.84-87.
3. Паринов И.А., Попов А.В., Рожков Е.В., Прыгунов А.Г. Калибровка акустических преобразователей методом голографической интерферометрии // Дефектоскопия. 2000. №1. С.66-71 - прототип.