Способ определения деформаций на основе спекл-фотографии
METHOD FOR DETERMINATION OF DEFORMATIONS BASED ON SPECKLE-PHOTOGRAPHY

Предлагаемое изобретение относится к области экспериментальных бесконтактных оптических методов исследования деформаций в деталях машин и элементах конструкций, позволяющее повысить точность и расширить пределы определения деформаций объекта при одновременном конструктивном упрощении устройства для осуществления способа.
Известен способ определения деформаций объекта (Джоунс Р., Уаикс К. Голографическая и спекл-интерферометрия. Пер. с англ. - М.: Мир, 1986. - 328 с.), заключающийся в том, что объект освещают когерентным светом, регистрируют спекл-фотографию объекта до и после его деформирования на одну фотопластинку, сканируют полученную двухэкспозиционную спекл-фотографию узким пучком когерентного света и по полученному на экране изображению полос Юнга определяют деформацию объекта.
Однако данный способ имеет ограниченный диапазон измеряемых деформаций, недостаточную точность проводимых измерений, неравномерную по дифракционному гало форму полос Юнга (сигарообразную), что затрудняет определить ширину полос Юнга, и, следовательно, вносит ошибки при расчете деформации объекта.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению, являющиеся прототипом, является способ определения деформаций объекта и устройство для его осуществления (его варианты) (авторское свидетельство SU 1247649, опубл. 30.07.1986 г. Бюл. №28) заключающийся в том, что фотопластинку с зарегистрированной двухэкспозиционной спекл-фотографией объекта сканируют одновременно двумя узкими пучками когерентного света, совмещают эти пучки, регистрируют на экране муаровую картину полос, образованную от совмещения двух полос Юнга, по которой определяют деформацию объекта.
Однако данный способ имеет ограниченный диапазон измеряемых деформаций, недостаточную точность проводимых измерений из-за неравномерной по дифракционному гало форме полос Юнга и сложную оптическую систему сканирования двухэкспозиционных спекл-фотографий.
Целью предложенного изобретения является увеличение чувствительности и диапазона измеряемых деформаций, увеличение точности измерений за счет повышения качество полос Юнга и, следовательно, полос муара при упрощении оптической системы сканирования двухэкспозиционной спекл-фотографии.
Техническим результатом является устранение погрешности, обусловленной неравномерной по дифракционному гало форме полос Юнга, увеличение чувствительности и расширению диапазона измеряемых деформаций благодаря увеличению диаметра дифракционного гало.
Поставленная задача достигается тем, что при регистрации двухэкспозиционной спекл-фотографии объекта, в плоскости входной апертуры оптической системы расположена кольцевая апертурная диафрагма имеющая вид двух концентрических окружностей с размерами b и δb, где 0,9≤δ<1, а регистрация спекл-фотографии объекта до и после его деформирования происходит одновременно на две фотопластинки, плотно совмещенные эмульсией друг к другу. При сканировании узким пучком когерентного света фотопластинки с записанной двухэкспозиционной спекл-фотографией объекта смещают в своей плоскости относительно друг друга, регистрируют на экране муаровую картину полос, образованную от совмещения двух полос Юнга, по которой определяют деформацию объекта.
На Фиг. 1 представлена оптическая схема регистрации двухэкспозиционной спекл-фотографии объекта до и после его деформирования, и изображены следующие элементы: 1 - когерентное излучение, 2 - исследуемый деформируемый объект, 3 - кольцевая апертурная диафрагма, 4 - объектив, 5 и 6 - две фотопластинки, плотно совмещенные эмульсиями 7 и 8 друг к другу. На Фиг. 2 представлен вид кольцевой апертуры с двумя концентрическими окружностями с размерами b и δb, где 0,9≤δ<1. На Фиг. 3 представлена оптическая схема сканирования методом Юнга двух фотопластинок с зарегистрированной двухэкспозиционной спекл-фотографией и смещенных в своей плоскости относительно друг друга, где изображены следующие элементы: 9 - узкий пучок когерентного света, 5 и 6 - две фотопластинки с зарегистрированной на эмульсиях 7 и 8 двухэкспозиционной спекл-фотографией и смещенных в своей плоскости относительно друг друга, 10 - механизм смещения фотопластинок, 11 - экран. На Фиг. 4 представлена фотография полос Юнга без наличия кольцевой апертурной диафрагмы в плоскости входной апертуры оптической системы. На Фиг. 5 представлена фотография полос Юнга при наличии кольцевой апертурной диафрагмы в плоскости входной апертуры оптической системы. На Фиг. 6 представлена фотография муаровых полос.
2
1
1
2
Способ осуществляется следующим образом. Исследуемый объект 2 (Фиг. 1) освещают когерентным светом 1, с помощью объектива 4 и кольцевой апертурной диафрагмы 3 имеющая вид двух концентрических окружностей с размерами b и δb, где 0,9≤δ<1 (Фиг. 2) и расположенной в плоскости входной апертуры объектива 4, формируется одновременно изображение исследуемого объекта покрытое спекл-структурой на двух фотопластинках 5 и 6, плотно совмещенных эмульсиями 7, 8 друг к другу. Двухэкспозиционная спекл-фотография объекта до и после его деформирования, зарегистрированная одновременно на двух фотопластинках 5 и 6, проявляется. После проявления фотопластинки 5 и 6, плотно совмещенные эмульсиями 7 и 8 друг к другу, размещаются в механизме смещения фотопластинок 10 (Фиг. 3). С помощью механизма смещения 10 фотопластинки 5 и 6 смещаются в своей плоскости относительно друг друга на некоторую величину h. Далее фотопластинки 5 и 6 сканируются узким пучком когерентного света 9. При этом каждая фотопластинка формирует свою картину полос Юнга (Фиг. 5). Так как сканирование двух фотопластинок происходит одновременно, то в плоскости экрана 11 происходит наложение двух полос Юнга, с образованием муаровых полос (Фиг. 6). Муаровую картину регистрируют и по ней определяют деформацию между исследуемыми точками объекта расположенными на базе равной H=h/m, где m увеличение оптической системы при регистрации спекл-фотографий, которое равно отношению d/d, где d - расстояние от исследуемого объекта до оптической системы, d - расстояние от оптической системы до плоскости изображения (Фиг. 1).
i
При сканировании узким лучом когерентного света 9 одновременно двух фотопластинок 5 и 6, в случае отсутствия смещения фотопластинок относительно друг друга в их плоскости, образуются стандартные полосы Юнга, период и направление которых определяют величину L и направление перемещения в сканируемой i точке исследуемой поверхности объекта. Величина перемещения определяется выражением (Джоунс Р., Уаикс К. Голографическая и спекл-интерферометрия. Пер. с англ. - М.: Мир, 1986. - 328 с.):
i
3
где p - период полос Юнга в i точке исследуемой поверхности объекта, m - увеличение оптической системы при регистрации спекл-фотографий, λ -длина волны когерентного света, d - расстояние от эмульсионных слоев до экрана наблюдения полос Юнга (Фиг. 3)
i
Направление смещения L, ортогонально к направлению полос Юнга в i точке исследуемой поверхности объекта.
1
2
При сканировании узким лучом когерентного света одновременно двух фотопластинок, смещенных относительно друг друга в их плоскости, в плоскости экрана происходит наложение двух полос Юнга от двух точек исследуемого объекта расположенных на расстоянии друг от друга равным H=h/m. Наложение двух полос Юнга приводит к образованию муаровых полос (Фиг. 6). Период Р муаровых полос и их наклон γ относительно одной из полос Юнга при наложении двух полос Юнга с периодами p и р и углом между ними θ определяется следующими соотношениями (Анализ деформаций с использованием муара. Дюрелли А., Парке В.: пер. с англ. -М.: Мир, 1974 359 с.):
21
2
1
Из выражений (1) - (3) следует, что разность смещений между двумя исследуемыми точками на объекте ΔL=L-L определяется через период полос муара следующим выражением:
Из выражений (1) - (3) также следует, что направление разности смещений между двумя исследуемыми точками на объекте ортогонально направлению полос муара.
Следовательно, измеряя период полос муара образованных наложением полос Юнга от двух исследуемых точек расположенных на расстоянии H=h/m, их направление относительно выбранной системы координат определяют величину компоненты деформации вдоль выбранного направления и величину угла сдвига относительно этого же направления.
Следует отметить, что, так как период полос муара связан с разностью смещений между двумя исследуемыми точками на объекте, то при измерении автоматически исключается перемещение исследуемого объекта как целого и, следовательно, приводит также к увеличению точности измерений.
Изменяя направление сдвига фотопластинки относительно первоначального на ортогональное, получаем новую систему полос муара, по которой аналогично определяем компоненты деформаций вдоль данного направления. Объединение этих результатов позволяет вычислить все компоненты тензора деформации для плоской задачи в механике, которые определяются следующими соотношениями:
21
31
1
2
1
2
21
31
β
где Р Р - период муаровых полос от двух исследуемых точек, расположенных в ортогональном направлении на расстоянии h и hотносительно начального положения;  и β - углы наклона муаровых полос Р и Р соответственно относительно выбранной произвольно Ортогональной системы координат.
Сканируя узким лучом когерентного света по всему полю изображения исследуемого объекта аналогично определяем поле деформаций для всего объекта.
Средний размер спеклов сфокусированного изображения исследуемого объекта на фотопластинках при использовании обычного объектива (без использования кольцевой апертуры) определяется выражением (Борн М., Вольф Э. Основы оптики - М.: Наука, 1973. 719 с.):
Средний размер спеклов при использовании кольцевой апертуры определяется выражением:
0
1
где: А - интенсивность в центре дифракционной картины; со - синус угла между направлением, в котором определяется значение интенсивности, и центральным направлением к дифракционной картине; J - функция Бесселя первого порядка; F - фокусное расстояние объектива; k=2π/λ.
Первый минимум уравнения (6) достигается при значении kbω=3.83, в то время как из уравнения (7) следует, что первый минимум зависит от параметра δ: δ=0.9, kbω=2.54; δ=0.96, kbω=2A6; δ=0.99, kbω=2.42. Так как основная доля дифрагированной энергии заключено в первом максимуме, то выражения (6) и (7) характеризуют средний размер спеклов при регистрации спекл-фотографии. Отсюда следует, что использование кольцевой апертуры приводит к уменьшению среднего размера спекла и, следовательно, к увеличению диаметра дифракционного гало при сканировании узким пучком когерентного света фотопластинок, что приводит к повышению чувствительности и расширению диапазона измеряемых деформаций. Так при использовании кольцевой апертуры с δ=0.96 чувствительность повышается в 1,5. Кроме того, применение кольцевой апертурной диафрагмы позволяет снизить аберрации оптической системы, приводящие к искажению регистрируемой информации и получить качественные полосы Юнга по всему дифракционному гало Фиг. 5. Снижение влияния аберраций оптической системы позволяет использовать оптические элементы не высокого качества. Данные результаты представлены на Фиг. 4 и Фиг. 5. На Фиг. 4 представлена фотография полос Юнга без наличия кольцевой апертурной диафрагмы в плоскости входной апертуры оптической системы. На Фиг. 5 представлена фотография полос Юнга при наличии кольцевой апертурной диафрагмы в плоскости входной апертуры оптической системы.
Таким образом, преимуществом предлагаемого способа измерения поля деформаций по сравнению с прототипом состоит в увеличении чувствительности, расширения диапазона измерений при упрощении оптической системы сканирования двухэкспозиционной спекл-фотографии благодаря тому, что при регистрации двухэкспозиционной спекл-фотографии в оптической системе используется кольцевая апертура, а регистрация двухэкспозиционной спекл-фотографии объекта до и после его деформирования происходит одновременно на две фотопластинки, плотно совмещенные эмульсией друг к другу. Упрощение оптической системы сканирования двухэкспозиционной спекл-фотографии по сравнению с прототипом состоит в том, что вместо двух узких пучков когерентного света используется один пучок когерентного света благодаря тому, что сканирование происходит одновременно двух фотопластинок с записанной на них двухэкспозиционной спекл-фотографией, плотно совмещенных эмульсией друг к другу и смещенных относительно друг друга в свей плоскости.