ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
OPTICAL DEVICE FOR MEASURING DISPLACEMENTS

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к оптическим устройствам для измерения малых перемещений поверхностей объектов контроля, основанным на применении оптических интерференционных методов.
Известны оптические устройства для измерения перемещений поверхностей объектов контроля, основанные на применении интерференционных методов (RU №2169348, заявка №99120531/28 от 28.09.1999 г., G01B 9/021, G01C 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, закрепленный на поверхности объекта контроля, и экран с установленными на нем фотоприемными устройствами. При этом светоделитель и отражатель расположены друг относительно друга под углом α, полученная при совмещении опорного и объектного пучков интерференционная картина, представляющая собой совокупность колец различной интенсивности, проецируется на экран, а фотоприемные устройства (например, фотодиоды) установлены в кольцах интерференционной картины.
Существенным недостатком данных устройств является низкое качество измерений. Под качеством измерений (Сергеев А.Г., Латышев М.В., Терегеря В.В. Метрология, стандартизация, сертификация: Учебное пособие. - М.: Логос, 2003. 536 с.) [3] понимают совокупность свойств, обуславливающих получение результата с требуемыми точностными характеристиками, в необходимом виде и в установленные сроки, при этом качество измерений характеризуется такими показателями, как точность, правильность и достоверность. Данный недостаток обусловлен тем, что воспроизводимые описанными выше устройствами интерференционные картины имеют явно выраженные особенности распределения оптического поля в плоскости экрана, вызванные влиянием угла α между светоделителем и отражателем. Данные особенности проявляются в том, что в некоторых областях интерференционных картин даже в пределах кольца одного порядка при перемещении поверхности объекта контроля изменение интенсивности оптического поля происходит неравнозначно, поэтому размещение фотоприемников произвольно в кольцах интерференционной картины в плоскости экрана, как это реализуется в устройствах-аналогах, приводит к внесению погрешностей в результаты измерений, снижая их качество.
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) [4], содержащее оптически связанные и последовательно размещенные источник когерентного оптического излучения, оптическую систему, светоделитель, отражатель, закрепленный на поверхности объекта контроля, и экран с установленными на нем фотоприемными устройствами. При этом светоделитель и отражатель расположены друг относительно друга под углом α, полученная при совмещении опорного и объектного пучков интерференционная картина, представляющая собой совокупность колец различной интенсивности, проецируется на экран, а фотоприемные устройства (например, фотодиоды) установлены в плоскости экрана в кольце одинаковой интенсивности (одного порядка) интерференционной картины, симметрично относительно ее центра.
Недостатком данного устройства является низкое качество результатов измерений, обусловленное тем, что воспроизводимая известным устройством интерференционная картина имеет явно выраженные особенности распределения оптического поля в плоскости экрана, вызванные влиянием угла α между светоделителем и отражателем. Данные особенности проявляются в том, что в некоторых областях интерференционных картин даже в пределах кольца одного порядка при перемещении поверхности объекта контроля изменение интенсивности оптического поля происходит неравнозначно, поэтому размещение фотоприемников в кольце одного порядка интерференционной картины симметрично относительно ее центра, как это реализуется в устройстве-прототипе, приводит к внесению погрешностей в результаты измерений, снижая их качество. Кроме этого, измерение интенсивности в пределах локальной области кольца одного порядка, ограниченной апертурой фотодиода, также приводит к внесению погрешностей в результаты измерений, обусловленных влиянием микродефектов оптических элементов, особенно светоделителя.
Техническим результатом предлагаемого устройства для измерения перемещений является повышение качества измерения малых перемещений поверхностей объектов контроля за счет введения в конструкцию устройства нового конструктивного элемента, а именно матрицы фотоприемников, имеющей новую форму, совпадающую с формой и размерами наиболее информационной области интерференционной картины, и расположенной в отмеченной области интерференционной картины.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что оптическое устройство для измерения перемещений содержит оптически связанные и последовательно размещенные источник когерентного оптического излучения, оптическую систему, светоделитель, отражатель, закрепленный на поверхности объекта контроля и расположенный под углом к светоделителю, экран с установленным на нем фотоприемным устройством. Согласно изобретению фотоприемное устройство выполнено в виде прямоугольной матрицы фотоприемников и установлено в плоскости экрана радиально кольцам интерференционной картины на интервале от края интерференционной картины, противоположного вершине угла α между светоделителем и отражателем, до центра интерференционной картины.
Наглядным доказательством достижимости нового технического результата являются материалы, полученные при экспериментальных исследованиях особенностей распределений оптических полей в интерференционных картинах (Мирошниченко И.П., Серкин А.Г. Особенности использования интерференционных измерителей малых перемещений при решении задач диагностики технического состояния конструкций // Дефектоскопия. 2007. №4. С.31-38) [5].
Сущность изобретения поясняется чертежом, где схематично изображено предлагаемое устройство для измерения перемещений.
Предлагаемое оптическое устройство для измерения перемещений содержит оптически связанные и последовательно размещенные источник 1 когерентного оптического излучения, оптическую систему 2, светоделитель 3, отражатель 4, закрепленный на поверхности 5 объекта контроля 6, и экран 7 с установленным на нем фотоприемным устройством 8. При этом светоделитель 3 и отражатель 4 расположены друг относительно друга под углом α, а полученная при совмещении опорного и объектного пучков интерференционная картина 9, представляющая собой совокупность колец 10 различной интенсивности, проецируется на экран 7.
Фотоприемное устройство 8 выполнено в виде прямоугольной матрицы фотоприемников 11 и установлено в плоскости экрана 7 радиально кольцам 10 интерференционной картины 9 на интервале от края 12 интерференционной картины 9, противоположного вершине угла α между светоделителем 3 и отражателем 4, до центра интерференционной картины 9.
Фотоприемное устройство 8 соединено с устройством для регистрации и отображения результатов измерений (не показано).
Устройство работает следующим образом.
Излучение источника 1 когерентного оптического излучения после прохождения оптической системы 2 преобразуется в расходящийся пучок и попадает на светоделитель 3, где происходит его разделение: одна часть отражается от поверхности светоделителя 3 (опорный пучок), а вторая часть - от отражателя 4 (объектный пучок), закрепленного на поверхности 5 объекта контроля 6. При этом светоделитель 3 и отражатель 4 расположены друг относительно друга под углом α.
Полученная при совмещении опорного и объектного пучков интерференционная картина 9, представляющая собой совокупность колец 10 различной интенсивности, проецируется на экран 7 с установленным на нем фотоприемным устройством 8.
Фотоприемное устройство 8 при перемещении поверхности 5 объекта контроля 6 производит измерение интенсивности оптического поля интерференционной картины по месту его установки, т.е. в области интерференционной картины, обладающей максимальными функциональными характеристиками (высокой контрастностью, большим динамическим диапазоном и т.д.).
Результаты измерений от фотоприемного устройства 8 передаются в устройство для регистрации и отображения результатов измерений (не показано).
Возможными вариантами регистрации интенсивности в этом случае могут быть регистрация суммарной интенсивности оптического поля по поверхности фотоприемного устройства 8, регистрация интенсивности оптического поля в кольце одного порядка, в кольцах первого и второго порядка и т.д. Предлагаемое устройство обеспечивает реализацию практически всех известных вариантов, которые могут быть необходимы и определены целями и задачами конкретного экспериментального исследования.
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 повысить качество измерения перемещений поверхностей объектов контроля.
Предлагаемое устройство, сохраняя положительные качества приведенных в описании аналогов и прототипа, отличается по сравнению с ними повышением качества измерений малых перемещений поверхностей объектов контроля 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, 1999 г. по заявке №99120531/28 от 28.09.1999 г., G01B 9/021, G01C 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. Сергеев А.Г., Латышев М.В., Терегеря В.В. Метрология, стандартизация, сертификация: Учебное пособие. - М.: Логос, 2003. 536 с.
4. 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.
5. Мирошниченко И.П., Серкин А.Г. Особенности использования интерференционных измерителей малых перемещений при решении задач диагностики технического состояния конструкций // Дефектоскопия. 2007. №4. С.31-38.