Способ измерения частотных характеристик механических конструкций оптическим методом
METHOD OF MEASURING FREQUENCY CHARACTERISTICS OF MECHANICAL CONSTRUCTIONS BY OPTICAL METHOD

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к бесконтактным оптическим способам измерения основных частотных характеристик механических конструкций.
Область применения - авиастроение, ракетостроение, судостроение, машиностроение, атомная энергетика и др.
В интерферометрии диффузно-отражающих объектов известен способ определения перемещений в котором объект освещают когерентным излучением, рассеянный пучок света совмещают с другим, регулярным, опорным пучком, который не несет информацию об объекте. В результате интерференции опорного и рабочего пучков в пределах спеклов образуются интерференционные полосы, по смещению которых судят о перемещении объекта (А.с. СССР №554467, кл. G01B 9/021, 1977).
Недостатком данного способа является то, что размеры спеклов в плоскости измерения составляют порядка несколько десятков микрон, а интерференционные полосы в пределах этих спеклов имеют еще меньшую величину, что существенно затрудняет измерение их перемещений. Другим недостатком метода является его повышенная чувствительность промышленным вибрациям. При наличии промышленных вибраций относительные перемещения объекта и зеркала, формирующего опорный пучок, могут существенно затруднить измерения, и, в конечном счете, проводят к невозможности измерений.
Известен способ определения малых амплитуд вибраций, основанный на фазовой модуляции опорного пучка в голографической интерферометрии и заключающийся в регистрации голографического изображения колеблющегося объекта с глубиной модуляции опорного пучка такой величины, при которой квадрат функции Бесселя первого рода нулевого порядка имеет первый корень (см. Ю.И. Островский и др. Голографическая интерферометрия. - М.: Наука, 1977, с. 322).
К недостаткам данного способа относится то, что техническая реализация требует сложной экспериментальной схемы. Кроме того, при расшифровке интерферограмм возникают ошибки определения корней функции Бесселя, и, следовательно, недостаточную точность проводимых измерений.
В интерферометрии диффузно-отражающих объектов известен способ определения перемещений в котором исследуемый объект освещают когерентным излучением. Совмещают два пучка когерентного излучения, один из которых объектный. Контролируют изменение интерференционных полос в пределах спеклов в совмещенных пучках. По изменению полос определяют изменения, происшедшие с исследуемым объектом. В качестве второго интерферирующего пучка выбирают другой объектный пучок, отраженный от исследуемого объекта под углом, отличным от угла отражения первого объектного пучка (Патент RU №2155320, кл. G01B 9/02, 2000).
Недостатками данного способа является высокая сложность юстировки оптической системы и ее низкая точность, а также малые области исследования на поверхности испытываемого объекта.
Известен дистанционный вибродатчик содержащий источник излучения, двухэлементный фотоприемник и вычитающее устройство, входы которого соединены с выходами элементов фотоприемника. Дополнительно в дистанционный вибродатчик введена оптическая фокусирующая система, расположенная перед источником излучения и обеспечивающая минимизацию поперечных размеров отраженного луча в месте приема (Патент RU №2494356, кл. G01H 9/00, 2013).
Недостатком данного устройства является низкая точность измерений, необходимость наличия зеркально отражающей поверхности на исследуемом объекте, малый диапазон измеряемых амплитуд, невозможность контролировать колебания по всей наблюдаемой поверхностью, жесткие требования по юстировки устройства в процессе проведения измерений.
Известен способ измерения амплитуд гармонических колебаний, заключающийся в том, что лазерное излучение направляют в зону колебаний объекта и на опорное зеркало через делитель, из отраженных от них лучей формируют интерференционную картину, преобразуют ее в электрический сигнал и снимают его спектр, по амплитудам гармоник спектра судят о величине колебаний, причем в спектре регистрируют гармонику с максимальной амплитудой, определяют ее частоту, по которой судят об амплитуде колебаний объекта (Патент RU №2060475, кл. G01H 9/00, 1996).
Однако данный способ имеет ограниченный диапазон контролируемых амплитуд колебаний и недостаточную точность проводимых измерений.
Известен способ определения амплитуд вибраций, заключающийся в том, что облучают когерентным излучением объект. Преобразуют отраженное от него излучение в электрический сигнал. Проводят разложение сигнала в первый спектральный ряд. Возбуждают в источнике излучения и/или объекте дополнительные механические колебания. Преобразуют отраженное от объекта излучение при воздействии дополнительных колебаний в электрический сигнал, раскладывают его во второй спектральный ряд. Изменяют амплитуду дополнительных колебаний до достижения максимального значения амплитуды отраженного излучения или амплитуды гармоники спектрального ряда на частоте дополнительных механических колебаний. Амплитуду вибраций определяют по соотношению амплитуды гармоники первого спектрального ряда на частоте колебаний объекта и максимального значения амплитуды гармоники второго спектрального ряда на частоте дополнительных механических колебаний или максимального значения амплитуды гармоники всего второго спектрального ряда (Патент RU №2208769, кл. G01H 9/00, 2003).
Однако данный способ имеет ограниченный диапазон измеряемых частот, требует дополнительного возбуждения исследуемого объекта, не позволяет наблюдать формы колебаний и имеет недостаточную точность проводимых измерений, связанную с необходимостью сравнивать спектральные ряды на разных частотах.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ измерения частотных характеристик механических конструкций, при котором исследуемую конструкцию закрепляют в держателе, формируют опорную и предметную оптические волны, возбуждают колебания конструкции и, используя методы голографической интерферометрии в реальном времени и с усреднением по времени производят поиск и регистрацию частот резонансных колебаний, а также интерференционные картины форм колебаний исследуемой конструкции, регистрируют интерферограммы форм колебаний дополнительно на нескольких околорезонансных частотах достаточных для построения на основе количественного анализа интерференционных картин резонансной кривой, по которой определяют искомые частотные характеристики исследуемой конструкции (резонансные частоты, формы колебаний и параметры затухания колебаний) (Патент RU №.2237884, кл. G01N 21/62, 2004)
Недостатком данного способа является длительность голографического процесса, большое число итераций для построения резонансной кривой и следовательно большие временные затраты, низкая точность определения амплитуд колебаний вследствие наличия собственных шумов (спекл-структуры), и, следовательно, низкая точность построения резонансной кривой, а также малый диапазон измеряемых амплитуд и частот. К недостаткам данного способа следует также отнести низкую помехозащищенность, которая требует создания виброизолированных стендов, а кроме того работа только с малогабаритными изделиями и моделями изделий.
Целью предложенного изобретения является увеличение точности определения колебаний исследуемой поверхности, в частности амплитуды и частоты колебаний шероховатых поверхностей, а также параметров затухания колебаний испытываемых конструкций и сокращение затрат на испытательное оборудование и снижение трудоемкости частотных испытаний.
Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности и точности измерений, расширение диапазона измеряемых амплитуд и частот, сокращение времени необходимого для испытания конструкций, сокращение затрат на испытательное оборудование и снижение трудоемкости частотных испытаний, расширение номенклатуры испытываемых конструкций.
Поставленная задача достигается тем, что в способе измерения частотных характеристик механических конструкций, при котором исследуемую конструкцию закрепляют в держателе, формируют опорную и предметную когерентные оптические волны, используя оптическую систему, формируют одновременно в плоскостях двух фотоприемников - цифровая видеокамера и точечный быстродействующий фотодетектор - изображение исследуемой конструкции, покрытое спекл-структурой с наложенной опорной оптической волной таким образом, чтобы период возникающих интерференционных полос был больше средних размеров спеклов в плоскости изображения конструкции, а средний размер спеклов в плоскости изображения конструкции больше максимальных размеров входной апертуры точечного быстродействующего фотодетектора, возбуждают колебания исследуемой конструкции, постепенно изменяя частоту внешней силы, производят поиск и регистрацию частот резонансных колебаний исследуемой конструкции с помощью анализа выходного напряжения с точечного быстродействующего фотодетектора, частоты резонансных колебаний исследуемой конструкции определяются по установившимся периодическим осциллирующим пакетам выходного напряжения точечного быстродействующего фотодетектора при максимальном количестве осцилляций в пакете, используя методы цифровой спекл-интерферометрии с усреднением во времени с помощью цифровой видеокамеры регистрируются спекл-интерферограммы, характеризующие формы колебаний исследуемой конструкции на каждой частоте резонансных колебаний, для конкретной формы колебаний и конкретной точки на исследуемой конструкции, изменяя частоту возбуждения относительно данной резонансной частоты регистрируют значение амплитуды колебаний по количеству осцилляций в периодическом пакете выходного напряжения точечного быстродействующего фотодетектора и строят резонансную кривую, по которой по методу резонансной кривой определяют искомые частотные характеристики исследуемой конструкции (резонансные частоты, формы колебаний и параметры затухания колебаний). Подобная совокупность действий определения частотных характеристик исследуемой конструкции не известна.
Изобретение поясняется чертежами:
Фиг. 1 - оптическая схема устройства для реализации способа измерения частотных характеристик механических конструкций, где приняты следующие обозначения: 1 - источник когерентного света - лазер, 2 - оптическая система формирующая опорную и предметную волны, 3 - светоделитель, 4 - зеркало формирующая опорную волну, 5 - исследуемая конструкция, 6 - оптическая система формирующая одновременно в плоскостях двух фотоприемников - цифровая видеокамера и точечный быстродействующий фотодетектор - изображение конструкции, 3 - светоделитель, 8 - цифровая видеокамера с ПЗС-матрицей, 9 - точечный быстродействующий фотодетектор, 10 - компьютер, 11 - генератор синусоидальных электрических колебаний, 12 - силовозбудитель колебаний исследуемой конструкции.
Фиг. 2 - установившиеся периодические колебания выходного напряжения с фото детектора на резонансной частоте.
Фиг. 3 - установившиеся периодические осциллирующие пакеты выходного напряжения с фотодетектора на резонансной частоте.
Способ заключается в следующем.
Излучение лазера 1 проходя через оптическую системы 2 преобразуется в световую волну для освещения исследуемой конструкции (предметная волна) и образования опорной волны. С помощью светоделителя 3 излучение лазера 1 расщепляется на два пучка, один из которых (предметный) освещает поверхность исследуемой конструкции 5, а другой направляется на опорное зеркало 4 для формирования опорной световой волны. Отраженное излучение от поверхности конструкции 5 с помощью светоделителей 3, 7 и оптической системы 6 формирует одновременно изображение поверхности исследуемой конструкции 7 в плоскости ПЗС-матрицы цифровой видеокамеры 8 и в плоскости быстродействующего точечного фотодетектора 9. Изображение исследуемой поверхности, как хорошо известно, покрыто субъективной спекл-структурой, поперечные размеры одиночного спекла Н в которой определяются хорошо известной формулой (Франсон М.М. Оптика спеклов. - М.: Мир, 1980, 85 с):
где λ - длина волны лазера; α - отношение диаметра входной апертуры к фокусному расстоянию оптической системы.
Второй луч (опорный) с помощью светоделителей 3, 7 и опорного зеркала 4 накладывается на предметный пучок, образуя в плоскости ПЗС-матрицы цифровой видеокамеры 8 и в плоскости быстродействующего точечного фотодетектора 9 вторичную интерференционную картину, период которой определяется также хорошо известной формулой (Борн М., Вольф Э. Основы оптики, - М: Наука, 1973, 719 с):
где θ - угол схождения между опорным лазерным излучением и сфокусированным рассеянным лазерным излучением от поверхности конструкции 5, образующим изображение объекта, покрытое спекл-структурой в плоскости ПЗС-матрицы цифровой видеокамеры 8 и в плоскости быстродействующего точечного фотодетектора 9.
Максимальный размер h рабочей поверхности быстродействующего точечного фотодетектора 9 должны быть согласован с размером Н одиночного спекла субъективной спекл-структуры и периодом d вторичных интерференционных полос, образованных в плоскости фотодетектора при этом должно выполняться следующее соотношение:
где d - ширина вторичных интерференционных полос; Н - поперечный размер субъективного спекла в плоскости ПЗС-матрицы видеокамеры; h -максимальная величина из размеров чувствительного элемента быстродействующего точечного фото детектора 9.
Данные условия выполняются подбором параметров оптической схемы - значение диафрагмы и фокусного расстояния оптической системы 6, угол схождения θ между опорным и предметным пучками за счет расположения светоделителей 3, 7 и опорного зеркала 4.
Используя генератор синусоидальных электрических колебаний 11 (например, типа Г3-109) и силовозбудитель 12, который может быть контактным (например, пьезоэлектрический силовозбудитель с экспоненциальным раструбом типа вибратора Маркса, который своим концом упирается в исследуемую конструкцию непосредственно у заделки) или бесконтактным (например, акустический динамик), возбуждают резонансные колебания конструкции 5.
На первом этапе производят поиск и регистрацию частот резонансных колебаний исследуемой конструкции 5, для чего на экране монитора компьютера 10 наблюдают за поведением выходного напряжения быстродействующего точечного фотодетектора 9 при изменении частоты возбуждающих колебания на конструкцию 5 и добиваются появления установившихся периодических колебаний (Фиг. 2) или осциллирующих пакетов выходного напряжения фотодетектора 9 с максимальным количеством осцилляций в пакете (Фиг. 3) при резонансной частоте. Меняя частоту возбуждающих колебания на конструкцию 5 аналогично находят все резонансные частоты колебаний исследуемой конструкции 5. Установившиеся периодические колебания (Фиг. 2) выходного напряжения фотодетектора 9 образуются, если в точке исследования амплитуда колебаний конструкции 5 меньше величины λ/8. Осциллирующие пакеты (Фиг. 3) выходного напряжения фотодетектора 9 с максимальным количеством осцилляций в пакете образуются, если в точке исследования амплитуда колебаний конструкции 5 больше величины λ/8. Одно полное колебание в осциллирующем пакете соответствует смещению исследуемой поверхности конструкции 5 на величину равную λ/2. Следовательно, измеряя количество осцилляций в пакете, получаем удвоенную амплитуду резонансных колебания в точке на изображении конструкции 5, в которой расположен быстродействующий точечный фото детектор 9. Частота следования осциллирующих пакетов равна удвоенной резонансной частоте колебаний исследуемой конструкции 5.
На каждой резонансной частоте с помощью цифровой видеокамеры 8 регистрируются методом усреднения во времени спекл-интерферограммы, характеризующие формы колебаний исследуемой конструкции 5. Наличие спекл-интерферограмм, характеризующих формы колебаний исследуемой конструкции 5 позволяет располагать быстродействующий точечный фотодетектор 9 в необходимой точке на изображении конструкции 5 и, следовательно, определять амплитуду колебаний в соответствующей точке конструкции 5. Сканирую фото детектором 9 по полю изображения конструкции 5, определяют величины амплитуд колебаний по всей конструкции 5.
На втором этапе, определив амплитуду колебаний на резонансной частоте по числу осцилляций в пакете, изменения частоту возбуждающего сигнала на силовозбудителе 12 аналогично определяют изменение осцилляций в периодических пакетах выходного напряжения фотодетектора 9 и, следовательно, изменение амплитуды колебаний на околорезонансных частотах, по которым для конкретной формы колебаний испытываемой конструкции строят график зависимости амплитуды А от частоты ƒ, по которой по методу резонансной кривой определяют логарифмический декремент колебаний испытываемого объекта, а по логарифмическому декременту колебаний определяют другие параметры затухания колебаний конструкции, характеризующие силы трения или сопротивления колебательным движениям.
Следует отметить, что в отличие от прототипа, в предлагаемом способе количество измерений амплитуд на околорезонансных частотах принципиально не ограничено, и следовательно, построение резонансной кривой является более точным и не требует больших материальных и временных затрат.
Кроме того, в отличие от прототипа, повышается чувствительность и расширяется диапазон измеряемых амплитуд и частот, которые ограничиваются чувствительностью и быстродействием фото детектора и параметрами памяти вычислительной системы.
Применение предлагаемого способа, в отличие от прототипа, позволяет производить измерения в промышленных условиях, в реальном времени и с различными размерными конструкциями.