Голографический способ измерения амплитуды колебаний объекта

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

«и1004772

Сеюз оветскик

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-вуt$1j М.Ngl 3

G 01 Н 9/00

G 01 Н 1/00

G 01 Н 1/04 (22) Заявлено 01 09.81 (21) 3331941/18-28 с присоединением заявки ¹вЂ”

Государстиеииый комитет

СССР ио делам изобретеиий и открытий (23) Приоритет—

«)публиковано 150383. Бюллетень ¹ 10

I дата опубликования описания 1503З3

РР) УДК 534 б. .08(088.8) (72) Авторы изобретения

В.Г.Гусев и E.À.Àùåóëoâ

А

Сибирский физико-технический институт им. В.Д.Кузнецова при Томском ордена Трудового

Красного Знамени государственном университетЕ. -". им, В.В. Куйбышева

° (71) Заявитель (54) ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ АМПЛИТУДЫ

КОЛЕБАНИЯ QPbEKTA

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам измерения параметров колебаний в твердых телах, и может быть исполь.зовано для измерения амплитуды вибраций, например, происходящих в плоскости колеблющейся поверхности, в машиностроении и строительстве.

Известен фотометрический способ измерения поперечных вибраций объекта, заключающийся в размещении на одной оси с объетом фотометра миры, жестко связанной с фотометром, ьюски, наносимой на исследуемый объект, и последующей регистрации изменения интен-.--. сивности световых потоков, регистрируемых двумя идентичными каналами фотометра, обусловленного изменением положения маски относительно миры, вследствие вибрации объекта. Предельная чувствительность способа состав« ляет несколько десятков мкм 111.

Недостатками данного способа являются необходимость нанесения маски .на объект, а также низкие чувствительность и точность измерений.

Известев бесконтактный способ измерения амплитуды вибраций объекта, обладающий высокими чувствительностью и точностью, заключающийся в освещении -поверхности объекта плоской монохроматической волной, регистрации на светочувствительной среде интерференционной картины излучения, рассеянного от колеблющейся поверхности объекта, и плоской опорной волны (получение голограммы), последующем ее восстановлении опорной волной и регистрации распределения яркости (по которому судят об измеряемой величине) в плоскости мнимого

"изобэажения объекта (2).

Недостатком такого способа явля15 ется невозможность проведения измерения амплитуды поперечных колебаний объекта.

Наиболее близким к изобретению является голографический способ анализа колебаний объекта, заключающийся в.том, что одновременно освещают колеблющуюся поверхность объекта и светочувствительную среду плоской опорной волной, затем восстанавливают голограмму плоской волной, например, в +1-ом дифракционном порядке и регистрируют распределение яркости (по которому судят об измеряе- мой амплитуде колебаний) в плоскости мнимого изображения объекта 13).

1004772

Недостатком данного способа является невозможность проведения измерения амплитуды поперечных колебаний при вибрации объекта.

Цель изобретения — обеспечение измерения амплитуды поперечных колебаний при сохранении чувствительности и точности.

Поставленная цель достигается тем что согласно голографическому способу измерения амплитуды колебаний 10 объекта, заключающемуся н том, что одновременно освещают колеблющуюся поверхность объекта и светочувст,вительную среду плоской опорной нолной, затем восстанавливают голограм- )5 му плоской волной и регистрируют распределение яркости в плюс первом дифракционном порядке, колеблющуюся поверхность объекта освещают сфери- . ческой волной, а регистрацию распределения яркости осуществляют на расстоянии L = f + F от голограм).)ы, где f — расстояние от поверхности объекта до светочувствительной среды при записи гологРаммы, F — радиус кривизны фронта волны, освещающей, эту поверхность.

На чертеже приведена функциональная схема устройства для осуществления способа.

Схема включает лазер 1, линзы 2 и 3, светоделитель 4, зеркало 5, светочувствительную среду 6 и диффузно рассеивающую свет колеблющуюся поверхность 7 объекта.

С помощью светоделителя 4 излучен- 35 ная лазером монохроматическая волна делится на две когерентных. С помощью системы из двух коллимирующих линз

2 и 3 формируется опорная волна O c плоским фронтом, составляющим угол 40

Ь с нормалью"к поверхности светочувствительной среды. Сферическая расходящаяся (за счет линзы 2) волна

6 освещает диффузно рассеивающую свет поверхность 7. 45

Физическая сущность способа заключается в следующем.

50 ) () (Ю

60-< " " д(х, )э Я (ф - —,)zxi x) ((где I — функция Бесселя нулевого порядка 1-ro рода.

Иэ выражения (7) следует, что

65 множитель, характеризующий распреПусть колеблющаяся поверхность

:объекта находится в плоскости (х, у ), а светочувствительная среда в параллельной ей плоскости (х2,у ) на расстоянии (,от последней. Если непосредственно в плоскости поверхности 7 объекта при освещении его плоской нолной характеризовать поле комплексной величиной А (х),y ), то при освещении поверхности 7 сферической волной поле в плоскости (х„,у ) можно описать выражением

+) р(Х., +У ) (х„,y„) = А(хл y ) f ()) где знак "плюс" в экспоненте относится к случаю расходящейся сферической волны (как это изображено на чертеже), знак "минус" — к случаю, когда объект освещается схрдящейся сферической волной, F — радиус кринизны волны, P. — — длина волны излучения лазера 1, = j = l.

Допустим, что объект совершает гармоничеСкие колебания вдоль оси х с частотой f = A/27(и амплитудой ах.

Тогда мгновенное значение поля по выражению (1) н плоскости (x,у ):

У можно описать выражением.

1() 1, )=А(Х„+аХз)ид+ у )x ) д (Х(+ОЮ)иЩ) +У ) (г)

В плоскости (хг,у ) имеем с точностью до постоянных коэффициентон для поля волны Ю,рассеянной поверхностью 7, на основании дифракционной формулы Френеля-Кирхгоффа — (х,у )-JJ((x,у ).$ d -((3) г (-РЗ(/Pe))(X<+0XslhQt-х,) +(У, У ) для поля опорной волны а, V = V(x у ) -е " (" (4) гхгде y — волновое число для волны

Л

Ф излученной лазером.

На светочувствительной среде регистрируется интенсивность

Т

1 = ) (V +g)(V +g)dt, (5) где Т вЂ” время экспозиции (ТВ 27/Я).

При восстановлении голограммы плоской волной, комплексно сопряженной с выражением (4), поле в-плоскости голограммы для +1-го порядка дифракции с учетом выражений (3) — (5) имеет вид

У(х,у ) J dt s Q (х„,у) ) ° Q„d)(, d„g;(6)

На основании дифракционной формулы Френеля-Кирхгоффа, проведя преобразования Фурье и считая, что поперечные колебания приходят с амплитудой, меньшей радиуса корреляции неоднородностей и диффузно рассеивающей свет поверхности 7 (это условие обеспечивает возможность восстановления голографического изображения), а

4Я(+ -")д)("ат,, получаем выражение для поля, восстановленного в плоскости х,у ), находящейся на расстоянии от голограммы

1004772

ВНИИПИ Заказ 1853/50 Тираж 871 Подписное

Филиал ППП "Патент", r.Óæãoðîä,óë.Ïðîåêòíàÿ,4 деление яркости, фиксируется в плоскости, отстоящей на расстоянии

f+F от плоскости (x>,у ), а сама яркость подчиняется з.акону

I = I (— (+ „-) 2xysx).. (8) В указанной плоскости наблюдаются полосы яркости, ширина которых определяется функцией Бесселя, ориентированные в направлении, перпендикулярном направлению колебаний объекта. Так как первый минимум функции Бесселя нулевого порядка получается при равенстве ее аргумента величине 2,44, то амплитуда колебаний связана с шириной Q x яркой полосы следующим образом.

2 44

sx = (9)

X(+ -)Bx с-F

Например, при записи голограммы с помощью лазера, измеряющего свет длиной волны )1 = 0,63 мкм с помощью устройства, изображенного на чертеже с параметрами 6 = 20 см, F = 10 см, зарегистрированная при восстановлении голограммы ширина яркой полосы дх составляет 5 мм, а рассчитанная по формуле (9)амплитуда поперечных колебаний поверхности равняется 6,5 мкм.

При использовании способа появляется возможность проводить измерения амплитуды поперечных колебаний бесконтактным способом, начиная от долей микрона. В то же время, для его реализации пригодны простые (в том числе стандартные) голографические устройства с набором стандартных оптико-механических узлов, Формула изобретения

Голографический способ измерения амплитуды колебаний объекта, заключающийся в том, что одновременно освещают колеблкицуюся поверхность

10 .объекта и светочувствительную среду плоской опорной волной, затем вос.станавливают голограмму плоской вол.ны и регистрируют распределение яркости в плюс первом дифракционном порядке, отличающийся тем, что, с целью обеспечения измерения амплитудЫ поперечных колебаний при сохранении чувствительности и точнос ти, колеблющуюся поверхность объекта освещают сферической волной, а регистрацию распределения яркости осуществляют на расстоянии Ь = f + F от голограммы, где f - -расстояние от поверхности объекта до светочувствительной среды при записи голограмьы, F — радиус кривизны фронта волны, освещающей эту поверхность.

Источники информации; принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Р 721679, кл. G 01 Н 9/00, 1980.

2. Powell R.L.. Stenson К,А, 35 "Bourn. Орй. Soc. of America", 1965, 55, с. 1593., 3. Патент США Р 3.548.643, кл. G 01 Н 1/00, 1970 (прототип).