ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ ДИЛАТОМЕТР

Полезная модель относится к области исследования физических свойств материалов, в частности, определения деформаций, вызванных различными воздействиями, и может быть использована преимущественно в дилатометрии, например, для измерения коэффициента линейного расширения.
Известен интерференционный дилатометр, содержащий установленный по ходу луча источник монохроматического излучения с коллиматором, интерферометр Физо, фотоэлектрический преобразователь, модулятор с подвижным зеркалом и неподвижную диафрагму, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, неподвижная диафрагма и подвижное зеркало модулятора установлены между коллиматором и распределителем (SU 911146 [1]). Недостатком известного дилатометра является его относительно малая информативность, заключающаяся в том, что отслеживается смещение только одной поверхности образца, в то время как при нагревании происходит расширение образца по всем направлениям.
Известен интерференционный дилатометр, который содержит источник света - лазер, оптическую систему для формирования параллельного пучка монохроматического света, печь-термостат, устройство для регистрации интерференционной картины, держатель образца, выполненный из материала с известным ТКЛР, интерферометр Физо (RU 2089890 [2]). Причем отражающими поверхностями интерферометра Физо являются верхний торец держателя и нижняя поверхность интерференционной пластины. Две опоры для интерференционной пластины расположены на держателе, а третьей опорой служит установленный в держателе образец. Устройство снабжено клиновидной регулировочной пластиной, используемой в качестве нижней опоры образца, с возможностью вращения вокруг своей оси и регулировки тем самым угла между нижней поверхностью интерференционной пластины и верхним торцом держателя. Недостатком известного устройства является сложность оптической схемы. Точность измерения с использованием такого устройства недостаточна, поскольку измерение основано на изменении угла между отражающими поверхностями интерферометра Физо, что не обеспечивает высокой чувствительности к линейному расширению образца, кроме того, реализуемый в нем принцип интерференционных измерений основан на определении изменения периода интерференционных полос, погрешность которого существенно зависит от качества изготовления отражающих поверхностей интерферометра. Кроме того, недостатком известного дилатометра является его относительно малая информативность, заключающаяся в том, что отслеживается смещение только одной поверхности образца, в то время как при нагревании происходит расширение образца по всем направлениям.
Главным недостатком этого способа является недостаточно высокая точность измерения. Основными составляющими погрешности измерения являются погрешность определения изменения длины образца (удлинения), которая тем больше, чем больше оптическая разность хода интерферирующих пучков, и погрешность измерения температуры, вклад которой в суммарную погрешность измерения пропорционален изменению разности хода интерферирующих пучков. В указанном способе разность хода интерферирующих пучков определяется длиной образца, которая должна быть достаточно велика для обеспечения необходимой чувствительности контроля.
Основное ограничение, которое имеют классические дилатометры, - необходимость изготовления образцов специальной формы. Это особенно существенно в тех случаях, когда материал не поддается точной механической обработке или полировке, либо технология создания материала не позволяет получить его в достаточном объеме, в частности из-за ограничений, вносимых технологическим процессом изготовления, или если компоненты материала являются дорогостоящими. Кроме того, поскольку в некоторых типах технологий материал создается в форме изделия, возникает необходимость измерять ТКЛР непосредственно изделия, т.к. абстрактные образцы материала могут просто не существовать. Это приводит к необходимости разрабатывать методы и методики выполнения измерений, учитывающие специфику поведения таких материалов, совершенствовать существующие измерительные возможности эталонной аппаратуры, а также расширять круг материалов и объектов за счет тех, для которых измерения ТКЛР можно будет проводить с требуемой точностью (Компан Т.А. Измерительные возможности и перспективы развития дилатометрии // Мир измерений. - 2011. - №7 - С. 14-21 [3]).
Одно из возможных решений проблемы контроля материалов, образцов и изделий с нерегулярной поверхностью состоит в применении спекл-интерферометрии - разновидности интерференционного метода. При тепловом расширении образца интенсивность и фаза спеклов динамически изменяются, при этом изменения фазы характеризуют поле смещений поверхности образца.
Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности является дилатометр описанный в [3] (см. фиг. 6). Интерференционный дилатометр содержит лазер, установленные по ходу луча коллиматор, светоделитель и размещенные по ходу лучей от светоделителя средство регистрации интерференционной картины, исследуемый образец и формирователь опорной волны.
Использование устройства предусматривает снятие спекл-интерферограммы поля нормальных перемещений с передней поверхности тела с отображением на экране монитора ЭВМ. При тепловом расширении образца интенсивность и фаза спеклов динамически изменяются, при этом изменения фазы характеризуют нормальное смещение поверхности образца.
Недостатком известного дилатометра является его относительно малая информативность, заключающаяся в том, что отслеживается смещение только одной поверхности образца, в то время как при нагревании происходит расширение образца по всем направлениям.
Заявляемый интерференционный дилатометр направлен на повышение информативности за счет обеспечения возможности одновременного определения смещения нескольких поверхностей образца.
Указанный результат достигается тем, что интерференционный дилатометр содержит лазер и установленные по ходу луча коллиматор и светоделитель и размещенные по ходу лучей от светоделителя средство регистрации интерференционной картины, исследуемый образец и формирователь опорной волны, при этом он дополнительно он содержит установленный за исследуемым образцом световозвращатель в виде призмы или зеркал.
При помощи заявляемого дилатометра за счет наличия установленного за исследуемым образцом световозвращателя в виде призмы или зеркал, информация об изменении геометрических размеров может быть одновременно снята не только с лицевой и тыльной сторон объекта, но и с остальных доступных для наблюдения частей поверхности тела.
Использование устройства опирается на принцип спекл-интерферометрической регистрации малых перемещений поверхности объекта наблюдения в форме интерферометрических полос, соответствующих изолиниям этих перемещений. Плотность расположения изолиний - шаг полос - определяется длиной волны лазера спекл-интерферометра и трехмерным профилем функции распределения перемещений на поверхности наблюдения. Он обобщает спекл-интерферометрический подход к дилатометрическим измерениям на случай, когда и лицевая и тыльная поверхности тела имеют сложную геометрию и их поля перемещений при создаваемых на тело воздействиях имеют неоднородные распределения по поверхности.
Сущность заявляемого интерференционного дилатометра поясняется графическими материалами и примером реализации. На фиг. 1 представлена принципиальная схема интерференционного дилатометра. На фиг. 2 представлено изображение образца в виде параллелепипеда, помещенного в установку в видимом свете (A, B - грани лицевой поверхности, C, D - грани тыльной стороны объекта, видимые через световозвращающие элементы, установленные позади него). На фиг. 3 представлено изображение спекл-интерферограммы перемещений по всем боковым граням при наклоне параллелепипеда как жесткого целого. На фиг.4 представлено изображение интерферограммы микроперемещений на боковых гранях параллелепипеда при неравномерном нагреве его верхней грани. Белыми вертикальными прямыми отмечены ребра параллелепипеда.
Экспериментальная регистрация картины линий уровня малых перемещений одновременно по лицевой и тыльной сторонам объекта осуществляется с помощью спекл-интерферометра, в качестве оптической схемы которого принята модифицированная схема Майкельсона, дополненная оптическими элементами позади объекта измерения (фиг. 1). Основные элементы схемы: лазер - 1, коллиматор - 2, полупрозрачное делительное зеркало - 3, объект измерения - 4, световозвращатель - 5 в виде призмы в форме треугольного параллелепипеда из оптического стекла с внутренними посеребрянными гранями, (либо два зеркала, расположенные так, чтобы через них обеспечивалось освещение тыльной стороны объекта, в качестве которого в примере использован прямоугольный параллелепипед с боковыми гранями A, B, C, D, и отображение невидимых спереди граней C, D в участки матрицы видеокамеры, отличные от участков, в которые отображается лицевая поверхность объекта (грани A, B)), диффузно-отражающая неподвижная пластина - 6, видеокамера - 7; стрелками показаны направления лучей: сплошными стрелками показан опорный луч, двойными стрелками - предметные лучи, падающие и отражающиеся от лицевых поверхностей объекта, пунктирными - от его задних поверхностей.
Интерференционный дилатометр функционирует следующим образом. Излучение лазера 1 падает на коллиматор 2, формирующий расширенный параллельный луч, который, попадая на полупрозрачное зеркало 3, делится на предметные и опорные лучи. Предметные лучи, проходя через полупрозрачное зеркало 3, попадают на объект 4 и световозвращатель 5 (призма или зеркало) за ним 5. Отражая прошедшие мимо объекта лучи, призма освещает невидимую спереди поверхность объекта (грани C, D параллелепипеда). В то же время эта призма играет роль возвратного зеркала, проецируя лучи, отраженные от граней C, D, через делительное зеркало 3 в участки матрицы видеокамеры 7, отличные от участков, в которые попадают лучи, отраженные от лицевой поверхности объекта. Отраженные от объекта предметные лучи несут оптическую информацию о полях микроперемещений передних и задних поверхностей объекта.
Опорный луч отражается от зеркала 3, затем - от неподвижной диффузно отражающей пластины 6, вторично попадает на делительное зеркало 3 и, частично отразившись, а частично рассеявшись, - в видеокамеру 7.
Микроперемещения поверхностей наблюдения, происходящие после записи спеклограммы их исходного положения, проявляются в форме спекл-интерферограммы реального времени в результате покадрового вычитания матрицы исходной спекл-картины из матрицы текущего состояния. Так как на матрицу видеокамеры транслируются непересекающиеся изображения всех четырех боковых граней объекта, то в разных участках экрана монитора ЭВМ одновременно наблюдаются четыре системы интерференционных полос - от двух передних и двух задних граней объекта. Изображения мест поверхности объекта, нормальные перемещения которых отсутствовали, либо были близки целому числу длин полуволны лазерного излучения, выглядят на спекл-интерферограмме как темные полосы, а места поверхности, перемещения которых близки полуцелому числу полуволн лазера, - как светлые полосы.
На фиг. 2 приведено изображение объекта - прямоугольного параллелепипеда высотой 5 см квадратного поперечного сечения со стороной 2,5 см в видимом свете. Лицевые грани, обращенные к источнику освещения, обозначены, как и на фиг. 1, буквами A и B. Изображения, невидимых спереди, тыльных граней C и D проецируется на матрицу видеокамеры зеркалами, установленными позади объекта.
На фиг. 3 приведена спекл-интерферограмма, на которой видны перемещения по всем боковым граням параллелепипеда при его наклоне как жесткого целого. Полосы параллельны друг другу, распределены равномерно по высоте параллелепипеда. Исходя из вида интерферограммы, изображенной на фиг. 3, величина угла в наклона параллелепипеда определяется по формуле
где λ - длина волны лазера, N - число однотипных (темных или светлых) полос интерферограммы, H - высота параллелепипеда. В данном примере при длине волны лазерного излучения λ=0,532 мкм (в оптической схеме использовался твердотельный зеленый лазер) зарегистрированная величина угла наклона параллелепипеда составила около 11 угловых секунд.
Другая спекл-интерферограмма, изображенная на фиг. 4, иллюстрирует процесс неравномерного температурного расширения боковой поверхности параллелепипеда при несимметричном нагреве его верхней грани. Здесь для наблюдения за непрерывностью перехода полос с одной задней грани параллелепипеда на другую зеркала позади него были установлены под углом 90°, в результате чего было совмещено отображение интерферограмм на задних гранях ценой некоторого уменьшения их масштабов. Видно, как поле перемещений поверхности тела проявляет его температурное поле.
В соответствии с формулой (1) для нормальных перемещений W и расположения линий уровня этих перемещений на фиг. 4 может быть произведен расчет изменений расстояний между любыми двумя точками боковой поверхности параллелепипеда. С учетом малости этих изменений в сравнении с габаритными размерами тела величина их может быть вычислена по формуле
, ,
1
1
1
2
2
2
1
2
где (x, y, z), (x, y, z) - исходные координаты выбранных точек, например, когда первая находится на грани A, а вторая - на грани C в декартовой системе координат с началом в одной из точек пересечения ребер параллелепипеда, а N и N - число зарегистрированных полос для этих точек на участках спекл-интерферограммы, соответствующих этим граням.
Данный расчет позволяет определять изменения размеров тела с субмикронной точностью. При необходимости он может быть уточнен по алгоритму, учитывающему не только число полос, но и их расположение, описанному в патенте RU №2359221 [5]. При таком расчете точность снимаемой дилатометрической информации повышается до величин порядка 1 нм.