Применение метода спекл-голографии двойной апертуры для

УЧЕНЫЕ
т о ом
у дк
ЗАПИСКИ
ЦАГИ
М4
1976
УП
629.7.015.4.023
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА СПЕКЛ-ГОЛОГРАФИИ ДВОЙНОЙ
АПЕРТУРЫ ДЛЯ ВЫДЕЛЕНИЯ
ПЛОСКОГО КОМПОНЕНТА
ДЕФОРМАЦИИ ВБЛИЗИ КОНЦЕНТРАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЙ
И. В. Волков
Описывается
применение
метода
спекл-голографии
двойной
апертуры для измерения одного плоского компонента поля деформа­
ции элементов конструкций. Направление регистрируемого компо­
нента деформации определяется направлением расположения цент­
ров двух апертур. Утверждается, что метод может применяться при
исследовании механики деформации в зоне различных концентраторов,
в том числе и усталостных трещин, вследствие высокой чувствитель­
ности к регистрируемой деформации. Из-за отсутствия жестких тре­
бований к механической стабильности объекта, присущих гологра­
фическим методам, данный метод позволяет исследовать различные
элементы конструкций на испытательных машинах электрогидравли­
ческого действия. Показано, что вследствие малости используемого
диаметра апертур, формирующих изображение, не предъявляется вы­
соких требований к аберрациям применяемой линзы.
Применение метода спекл-голографии* при регистрации деформаций вблизи
концентраторов напряжений, как было показано ранее [1], позволяет исследоваТI>
натурные
элементы
конструкции
при
испытании
в
промышленных
условиях при
значительных вибрациях. Малая чувствительность метода к вибрации объясняет­
ся локальной записью информации от всего объекта, присущей спекл-гологра­
фии. Этими же достоинствами обладает рассматриваемый метод двойной апер­
туры, являющийся разновидностью спекл-голографии и имеющий прямую анало­
гию с методом муара. Как известно, метод муара позволяет непосредственно по
картине полос вычислять компоненты деформации, определяемые направлением
сеток (растров). Аналогично в данном методе регистрируется плоский компо­
нент деформации, определяемый направлением расположения апертур оптической
системы, образующих сетчатую структуру на фоне спекл-изображения. Однако
никаких заранее нанесенных сеток или линий при этом не требуется, как в обыч­
ном
методе
муара.
Достоинствами данного метода являются его простота, универсальность и
достаточная точность регистрации деформаций. Метод является бесконтактным и
не требует специальной подготовки поверхности. Чувствительность его эквива­
лентна чувствительности обычных методов голографии.
Описание метода спекл-голографии двойной апертуры
мом методе исследуемая поверхность
*
освещается
(2).
В рассматривае­
коллимированным
или сфери-
Спекл-голография - метод голографии сфокусированных изображений без
опорного пучка .• Спекл· (Speckle) означает зернистость сфокусированного изо­
бражения, освещенного когерентным светом диффузно отражающего предмета.
168
'Ческим фронтом волны от оптического квантового генератора (ОКГ).
требования к когерентности
регистрирующего
материала
источника,
сводятся
к
а
также
к
разрешающей
При этом
способности
минимуму.
В рассматриваемой оптической схеме регистрации деформации (фиг. 1) при
помощи линзы Л образуется сфокусированное изображение диффузно рассеиваю­
щей поверхности на фотографической пластинке Г. Перед линзой расположена
непрозрачная маска, содержащая два отверстия (апертуры оптической системы)
диаметром d, отстоящих друг от друга на расстоянии D.
~
r
._--~.
~
~
л
Фиг.
.1
.в
1
Если одну из апертур закрыть, то другая будет формировать в плоскости
rолограммы спекл-изображение диффузно рассеивающей поверхности. При этом
ередний размер спекла обратно пропорционален размеру апертуры d, В случае
прохождения излучения через две апертуры на фоне спеклов будут формиро­
ваться ИlIтерференционные полосы, которые располагаются перпендику лярно
линии, соединяющей центры апертур. Таким образом, на сфокусированном изо­
<>ражении образуется периодическая мелкая сетчатая структура. Вращением пары
отверстий можно изменить ориентацию сетки в любом направлении.
Расстояние
между линиями
сетки
в
плоскости
изображения
определяется
формулой
л.
bi = - - - ,
2 sina
.I"де л.
а
-
(1)
линия волны используемого излучения;
полуугол между лучами, образованными двумя
Принимая во внимание малость угла а, имеем:
-
апертурами (см. фиг.
1).
sin а ::::: tg а = DJ2B.
(2)
В=mА,
(3)
Учитывая выражение
('де
т
-
увеличение
А
-
расстояние от объекта до линзы;
линзы;
В - расстояние от линзы до голограммы,
и подставляя (2) и (3) в формулу (1), получим:
л.Аm
bi=~.
(4)
169
=
Расстоянию bl в плоскости изображения соответствует расстояние 110
bi/m в
плоскости объекта. Следовательно, расстояние между линиями сетки определяется
формулой
ЛА
Ь о =-·
(5)
D
Частоту линий сетки можно подбирать путем изменения расстояния либо до
объекта А, либо между апертурами D и тем самым увеличивать или уменьшать
чувствительность к регистрируемым деформациям.
~инимальное расстояние до объекта обычно ограничивается величиной по­
следнего и параметрами оптической системы (размером изображающей линзы).
л
r
-----_.----=~-~---
f
Фиг.
Экспонируя фотопластинку описанным
2
способом, обрабатывая и возвращая
ее точно в исходное положение, можно наблюдать в реальном масштабе времени
полосы муара, пученные путем наложения наблюдаемого изображения с зареги­
стрированным нол фотопластинке. По мере перемещения объекта как жесткого
целого в напраавлении, параллельном линии, соединяющей две апертуры, осве­
щенность плоскости изображения попеременно изменяется от минимума к мак­
симуму. ~алые местные приращения
полос
-
полосы
равных
смещений
в
поверхности
будут образовывать картины
направлении
регистрируемого компонента
деформации. Расстояние между полосами соответствует приращению смещения
на величину Ьо , определяемую из формулы (5).
Чувствительность метода определяется угловой апертурой оптической систе­
мы, ее можно повысить, увеличивая диаметр изображающей линзы.
Экспонируя голограммы до и после приложения деформирующей нагрузки,
получаем обычные спекл-голограммы двойной экспозиции. При этом полихрома­
тическая картина полос может наблюдаться в белом свете. Для улучшения кон­
траста картины полос применяется обычно метод пространственной фильтрации
дифракционных порядков, оптическая схема которого приводится на фиг. 2.
Следует отметить, что при выборе оптических элементов схемы регистрации
отношение D/d желательно выбирать большим, так как при этом контраст кар­
тины полос будет лучше, а следовательно, количество видимых полос будет боль­
ше. Это позволит увеличить интервал нагрузки и величину регистрируемых
деформаций.
Применение метода для регистрации деформаций. Для проверки эффектив­
ности метода были проведены эксперименты с плоскими образцами на растяже­
ние на испытательной машине ЦД-4 с регистрацией деформаций вблизи концен­
траторов напряжений. Освещение образца производилось лучом от ОКГ ЛГ-36А.
расширенным и коллимированным с помощью оптической схемы, расположенной
на особом основании вблизи испытательной машины. Регистрирующую оптическую·
схему, включающую фотообъектив ,Юпитер-g" с маской, содержащей два отвер­
стия, и голограмму, располагали на специальной плите, прикрепленной к ниж­
нему
захвату
машины.
Были проведены эксперименты с различными размерами апертур, оптималь­
ными выбраны с d = 10 мм при D
27 мм. Расстояние до образца составляло
А
=
130
=
мм, а чувствительность полос к приращению смещения u л
=
3,2
мкм.
для получения голограмм использовались фотопластинки .Микрат ВРЛ·.
170
Фиг.
3
Фиг.
4
171
Фиг.
5
I
t~
1'"
~,tl
-,
2,57
1,0
-
~U
I
l
2,7!}
0,51
.---------+,--------Матерuал
Фиг.
172
,4-79
6
для проверки метода были проведены эксперименты с одновременной реги­
страцией деформаций тензодатчиком ДК-25 и описанным способом. ИСIlытания
были проведены на плоском образце из углепластика без концентратора напря·
жениЙ. На интервале разгрузки 950-600 даН оптическим методом были измерены
деформации Е =с 43·10-5, В то время как
тензодатчик
показал
деформацию
z ЭИД
=
36·10-°.
Полученная
интерферограмма данного образца показана
на фиг. 3. На
фиг. 4 приведена интерферограмма плоского образца с отверстием диаметром
5 мм из материала ВНС-2 при растяжении. Наклон полос показывает на неосевое
растяжение образца. Таким же образом был испытан образец из материала Д-I9 с
двумя несимметричными усталостными трещинами вблизи отверстия диаметроы
5 мм.
На интерферограмме (фиг. 5) по картине полос можно определить место
начала трещины, хотя невооруженным глазом обнаружить его было трудно.
По базе, равной расстоянию между соседними полосами в зоне концентрации,
построена эпюра деформаций, показанная на фиг. 6. Цена полосы, как было ука­
з ано выше, составляла 3,2 мкм.
ЛИТЕРАТУРА
1. В о л к о в В. И. Исследование механики деформаций натур­
ных образцов с концентраторами методом sресklе-голографии. Мате­
риалы 6 Всесоюзной школы по голографии, 1974. Ленинград,
Изд.
АН СССР.
2. О о па I Е. О u f f у. Moire g-auging of in-plane displacement using
doubIe aperture imaging. Applied Optics., yol. 11. N 8, 1972.
Рукопись поступила
28jVIll 1975
г.