Способ определения деформации и напряжения элементов конструкции и устройство для его осуществления

 

Использование: в области неразрушающего контроля и позволяет с высоким быстродействием оценивать параметры деформации и напряжения. Сущность изобретения: с целью повышения быстродействия оценки параметров в способе, включающем формирование светового изображения объекта до и после деформации, преобразование оптического изображения в электрический сигнал, цифровое вычисление взаимно корреляционной функции (ВКФ), световое изображение увеличивается и запоминается в первом оптически управляемом транспаранте (ОУТ), а световое изображение деформированного объекта увеличивается и запоминается во втором ОУТ, производится синхронное считывание, фильтрация, перемножение и интегрирование исходного и деформированного изображений и по положению максимума ВКФ определяются деформации и напряжения. В устройство, содержащее лазер, телекамеру, интерфейс, микроЭВМ, дисплей и монитор, введены, кроме двух ОУТ, микроскоп, обычные и полупрозрачные зеркала, оптические затворы, блоки считывания, управляемый блок питания, блок синхронизации, фильтры, интегрирующая линза, дополнительный интерфейс. 2 с.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля (напряжения и деформации) элементов конструкций (насосов, сосудов и т.п.) и позволяет с высоким быстродействием оценивать параметры напряжения и деформации.

Известны способ и устройство для регистрации деформаций, возникающих при приложении деформирующих усилий, содержащее источник света, освещающий объект когерентным светом, фокусирующий и сдвигающий оптический элемент, который принимает отражающий от объекта когерентный свет, генерирует интерферирующие сфокусированные изображения объекта, сдвигающее одно относительно другого в поперечном направлении приспособление для записи интерферограммы, возникающей в результате интерференции сфокусированных изображений [1] Принцип действия способа и устройства основан на анализе спеклинтерференционных изображений, снятых до и после воздействия усилий.

Недостаток этого способа и устройства состоит в невозможности быстрой (оперативной) оценки деформаций и напряжений из-за необходимости предварительного запоминания (фиксации) изображений на фотопленке.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ и устройство для определения напряжений и деформаций трубопроводов, сосудов высокого давления и элементов конструкций, содержащее источник, направляющий луч света на поверхность контролируемого объекта, оптический приемник (телевизионную камеру), который воспринимает эталонную точечную картину, деформирующуюся при отражении света, интерфейс с подключенным монитором, микроЭВМ (с дисплеем), осуществляющий сравнение запомненной и текущей картин [2] Недостаток известного способа и устройства заключается в низком быстродействии из-за необходимости перерабатывать всю поступающую информацию на микрокомпьютере.

Цель изобретения состоит в повышении быстродействия определения величины деформаций и напряжения элементов конструкций.

Поставленная цель достигается тем, что: 1. В известном способе определения деформаций и напряжений элементов конструкций, включающем формирование светового изображения объекта до и после деформации, преобразования оптического изображения в электрический сигнал, цифровое вычисление взаимно корреляционной функции, по параметрам которой вычисляют деформации и напряжения, в нем световое изображение исходного объекта увеличивается и запоминается в первом оптически управляемом транспаранте, а световое изображение деформированного объекта увеличивается и запоминается во втором оптически управляемом транспаранте, производится синхронное считывание, фильтрация, перемножение и интегрирование исходного и деформированного изображений и по положению максимума взаимно корреляционной функции определяются деформации и напряжения.

В известное устройство, содержащее лазер, освещающий объект и последовательно соединенные телевизионную камеру и интерфейс, одним выходом соединенный с монитором, двумя другими с телевизионной камерой, а двунаправленной шиной с микроЭВМ, выходом подключенной к дисплею, в него между выходом объекта и оптическим входом телевизионной камеры включены последовательно соединенные микроскоп, первое полупрозрачное зеркало, первый оптический затвор, управляющий входом, подключенным к выходу дополнительно введенного интерфейса, первый оптически управляемый транспарант, двумя отдельными входами подключенный к выходу управляемого блока питания оптически управляемого транспаранта, первый блок считывания, вторым входом подключенный к выходу блока управления и синхронизации, первый фильтр, первое зеркало, второе полупрозрачное зеркало и линза, а также между выходом первого полупрозрачного и вторым входом второго полупрозрачного зеркала включены последовательно соединенные второе зеркало, второй оптический затвор, вторым входом подключенный к выходу дополнительного интерфейса, второй оптически управляемый транспарант, двумя отдельными входами подключенный к выходу управляемого блока питания оптически управляемого транспаранта, вторым входом подключенный к второму блоку управления и синхронизации, и второй фильтр, причем отдельные выходы первого блока считывания и второго блока считывания подключены к отдельным входам первого оптически управляемого транспаранта и второго оптически управляемого транспаранта, а отдельный выход дополнительного интерфейса соединен двунаправленной шиной с микроЭВМ, а другой отдельный выход дополнительного интерфейса подключен к входам управляемого блока питания оптически управляемых транспарантов и блока управления и синхронизации, первым входом соединенный с входом первого лазера, а другим входом через дополнительно введенный второй лазер к второму входу первого полупрозрачного зеркала.

Введение микроскопа, первого и второго зеркал, первого и второго полупрозрачного зеркал, первого и второго оптических затворов, первого и второго оптически управляемых транспарантов, первого и второго блоков считывания, блока управления и синхронизации, управляемого блока питания оптически управляемых транспарантов, первого и второго фильтров, линзы, дополнительного интерфейса и дополнительного лазера позволяют с высоким быстродействием определять требуемые характеристики исследуемого участка объекта за счет формирования меры близости (взаимно корреляционной функции) в оптическом диапазоне.

Сопоставительный анализ прототипа и заявляемого технического решения позволяет заключить, что техническое решение соответствует критерию "новизны".

В известных устройствах, решающих задачу определения напряжения и деформации, не используются фильтры, оптически управляемые транспаранты для регистрации сравниваемых изображений и формирования взаимно корреляционной функции. Наличие отличительных признаков, не известных в технических решениях, позволяет сделать заключение о соответствии заявляемого решению критерию "существенные отличия".

На фиг.1 дана структурная схема устройства.

На фиг.2 дана основная (оптическая) часть устройства.

На фиг. 3 представлены изображения (эталонное и текущее), формируемые в результате спекл-эффекта.

На фиг.4 дан вариант исполнения оптически управляемого транспаранта.

На фиг. 5 приведена электрическая схема варианта управляемого блока питания оптически управляемых транспарантов.

На фиг.6 дана структурная схема исполнения оптического затвора.

На фиг.7 дан вариант блока управления и синхронизации.

На фиг.8 приведены диаграммы работы блоков управления и синхронизации.

На фиг. 9 приведена блок-схема работы ЭВМ (анализа корреляционной функции).

Устройство на фиг.1 содержит следующие элементы: 1 лазер (с коллиматором); 2 лазер (с линзой); 3 объект (исследования); 4 микроскоп; 5 первое полупрозрачное зеркало; 6 первый оптический затвор; 7 первый оптически управляемый транспарант (ПОУТ);
8 первый блок считывания (ПБС);
9 первый фильтр;
10 первое зеркало;
11 второе полупрозрачное зеркало;
12 линза;
13 телекамера (ТК);
14 интерфейс;
15 микроЭВМ;
16 дисплей;
17 монитор;
18 управляемый блок питания оптически управляемых транспарантов (УБПОУТ);
19 блок управления и синхронизации (БУС);
20 второе зеркало;
21 второй оптический затвор;
22 второй оптически управляемый транспарант (ВОУТ);
23 второй блок считывания (ВБС);
24 второй фильтр (ВФ);
25 дополнительный интерфейс (ДИ).

Из структурной схемы, приведенной на фиг.1, следует, что выход лазера 1 подключен через последовательно соединенные объект 3, микроскоп 4, первое полупрозрачное зеркало 5, первый оптический затвор 6, ПОУТ 7, ПБС 8, первый фильтр 9, первое зеркало 10, второе полупрозрачное зеркало 11, линзу 12, ТК 13 и интерфейс 14 к входу (через двунаправленную шину) микроЭВМ 15; выход микроЭВМ 15 соединен с входом дисплея 16; отдельный выход интерфейса 14 подключен к монитору 17; отдельный выход первого полупрозрачного зеркала 5 подключен через последовательно соединенные второе зеркало 20, второй оптический затвор 21, второй оптически управляемый транспарант 22, второй блок считывания 23 и второй фильтр 24 к отдельному входу второго полупрозрачного зеркала 11; отдельный выход интерфейса 25 подключен к отдельным входам БУС 19, УБПОУТ 18, первого оптического затвора 6 и второго оптического затвора 21; отдельные выходы БУС 19 подключены к входам лазера 1 и лазера 2; выход лазера 2 подключен к отдельному входу первого полупрозрачного зеркала 5; отдельный выход ПБС 8 подключен к отдельному входу ПОУТ 7, а отдельный выход ВБС 23 к отдельному входу ВОУТ 22; микроЭВМ 15 соединена с ДИ 25 двунаправленной шиной.

Принцип действия предлагаемого устройства основан на корреляционно-экстремальной обработке сравниваемых изображений [2] Устройство работает циклически: 1) подготовка оптически управляемых транспарантов к работе; 2) запись эталонного изображения (ЭИ); 3) запись текущего изображения (ТИ); 4) формирование взаимно корреляционной функции (ВКФ); 5) анализ ВКФ (оценка смещений деформированного участка объекта относительно эталонного).

На первом этапе цикла производится подготовка оптически управляемых транспарантов 7, 22 к записи изображения. Для этого на соответствующие входы ПОУТ и ВОУТ 22 от УБПОУТ 18 подается напряжение поляризации. Одновременно с этим от лазера 2 (содержащего коллимирующую линзу, обеспечивающую расходящий пучок света) через первое полупрозрачное зеркало 5, второе зеркало 20, через открытые первый и второй оптические затворы 6, 21 на ПОУТ 7 и ВОУТ 22 подается (активный для фотопроводника оптических транспарантов) равномерный световой поток. После подготовительного периода (τ 30 нс) [6, стр.68 69] устройство готово к записи эталонного и текущего изображений (ЭИ и ТИ).

На втором этапе цикла с помощью лазера 1 (содержащего коллимирующую линзу, обеспечивающую расходящийся пучок света) освещается область исследуемого объекта 3. При освещении объекта 3, содержащего оптически грубую поверхность, когда изменения высоты ее рельефа имеют порядок длины волны падающего света, наблюдается спекл-эффект, представляющий собой изображение в виде зернистой структуры [4, стр.60 61] Каждому участку объекта 3 соответствует определенное спекл-изображение. Это изображение воспринимается и усиливается микроскопом 4 (в качестве которого используется ПМЕ-1 или СБС-9). После этого через полупрозрачное зеркало 5, оптический затвор 6 первое считываемое изображение (т.е. ЭИ) поступает на ПОУТ 7. Одновременно на ПОУТ 7 подается с УБПОУТ18 U_{зап.счит.} напряжение записи-считывания. После записи изображения в ПОУТ 7 оптический затвор 6 закрывается.

После записи ЭИ аналогично формируется и записывается ТИ, которое соответствует этому же участку объекта 3, но в деформированном состоянии. ТИ получается при отражении лазерного пучка света объектом 3 при прохождении его через микроскоп 4, полупрозрачное зеркало 5, второе зеркало 20 и второй оптический затвор 21 на ВОУТ 22. Одновременно на ВОУТ 22 подается с УБПОУТ 18 напряжение записи-считывания. После записи ТИ закрывается второй оптический затвор 21 и начинается процесс считывания ТИ и ЭИ. Причем ЭИ считывается с ПОУТ 7 с помощью ПБС 8, а ТИ с ВОУТ 22 с помощью ВБС 23. Считанные изображения (ЭИ и ТИ) поступают соответственно на фильтры 9, 24, представляющие собой матовые стекла, с помощью которых осуществляется рассеивание параллельного пучка света (т.е. преобразование когерентного света в некогерентный). Эта операция необходима при формировании корреляционного функционала, реализация которого требует пространственного перемножения и суммирования двух функций. Далее изображения с фильтров 9, 24 поступают через соответствующие зеркала 10, 11 на линзу 12, формирующую взаимно корреляционную функцию (ВКФ) ТИ и ЭИ. Оптическое изображение ВКФ считывается телевизионной камерой 13, фоточувствительная поверхность которой находится в фокальной плоскости линзы 12.

Полученная взаимно корреляционная функция между ЭИ и ТИ описывается следующим выражением [3]

где U_x, U_y линейные и угловые рассогласования ТИ относительно ЭИ; F₂(x₁y₁) функция, описывающая ТИ; F₁(x₂y₂ функция, описывающая ЭИ; S площадь коррелируемых изображений.

Устройство реализует оптическую меру близости между сравниваемыми изображениями взаимно корреляционную функцию (1), на основе анализа которой определяются смещения линейных координат U_x, U_y, т.е. сдвиг деформированного участка относительно недеформированного.

После формирования ВКФ окончательная обработка выражения (1) производится на микроЭВМ 15, которая через интерфейс 14 связана с телекамерой 15. Напомним, что далее определяются величины деформации и напряжения участка объекта.

Известно, что величины напряжения и деформации поверхности могут быть вычислены в любой точке поверхности исследуемого объекта [2] При этом выражения для компоненты деформации определяются следующим способом:




ε_xz= ε_yz= 0,
где ε_xx, ε_yy, ε_zz, ε_xy, ε_xz компоненты деформации поверхности объекта по соответствующим осям X, Y, Z; ν коэффициент Пуассона.

Компоненты напряжения определяются из компонентов деформации по соотношениям напряжения и деформации из формулы:

где Е модуль упругости; α коэффициент теплового расширения; DT изменения температуры объекта; δ_ij тензор дисторсии; ε_ij - матрица деформации.

Таким образом, микроЭВМ, определяя величины U_x, U_y, оценивает компоненты деформации и напряжения исследуемого участка объекта.

Изображение ВКФ выводится на монитор 17. МикроЭВМ 15 также управляет через дополнительный интерфейс 25 работой БУС 19 УБПОУТ 18 и оптическими затворами 6, 21. Текст программы и результаты измерений выводятся на дисплей 16.

На фиг.2 представлена оптическая часть предлагаемого устройства.

Устройство содержит следующие элементы:
1 лазер (с коллиматором);
2 лазер;
3 объект (исследования);
4 микроскоп;
5, 11 первое и второе полупрозрачные зеркала;
6, 21 первый и второй оптические затворы;
7 первый оптически управляемый транспарант (ПОУТ);
8, 23 первый и второй блоки считывания;
9, 24 первый и второй фильтры;
10, 20 первое и второе зеркала;
12, 29, 30 линза;
13 телевизионная камера;
22 второй оптически управляемый транспарант (ВОУТ);
26 светоделительный элемент (призма Глана-Томсона);
27 лазер;
28 расширитель (отражатель).

Как уже указывалось, сначала производится подготовка оптически управляемых транспарантов 7 и 22 к записи изображения. Для этого от блоков высокого напряжения УБПОУТ18 подается напряжение поляризации на соответствующие электроды ПОУТ и ВОУТ 22. Одновременно от лазера 2 через линзу 30, полупрозрачное зеркало 5 и зеркало 20, через открытые оптические затворы 6, 21 подается равномерный световой поток, являющийся активным для фотопроводника управляемых транспарантов 7, 22.

Затем начинается запись ЭИ. Для этого изображение объекта 3, освещаемое лазером 1, воспринимается и увеличивается микроскопом 4 и через полупрозрачное зеркало 5 и первый (открытый) оптический затвор 6 поступает на ПОУТ 7. Аналогично записывается ТИ, поступающее через микроскоп 4, полупрозрачное зеркало 5, зеркало 20 и второй (открытый) оптический затвор 21 на ВОУТ 22. Далее производится считывание ЭИ и ТИ с транспарантов 7, 22, осуществляемое блоками считывания 8, 23. ПБС 8 и ВБС 23 выполнены аналогично и работают следующим образом [5, стр.99 -100]
Считывание осуществляется в режиме на "отражение", при котором производится разделение входного и выходного считывающего света, обеспечиваемого светоделительным элементом 26 (например, призмой Глана-Томсона). Для формирования считывающего луча используется лазер 27, световой луч которого поступает через расширитель (отражатель) 28 и линзу 29 на входную плоскость элемента 26. Затем свет через элемент 26 поступает на ПОУТ 7 и ВОУТ 22, отражается от зеркальных электродов, воспроизводящих геометрический рельеф ЭИ и ТИ, и проходит через элемент 26 на линзу 30. Одновременно на ПОУТ 7 и ВОУТ 22 подается напряжение записи-считывания через электронные коммутаторы от блока питания 18.

Затем ЭИ поступает через фильтр 9 (матовое стекло), зеркало 10 и полупрозрачное зеркало 11 на интегрирующую линзу 12, куда также поступает ТИ с выхода блока 23 через фильтр 24 и полупрозрачное зеркало 11.

На фиг. 3 представлены ЭИ и ТИ (часть элементов изображений показаны стрелками). Как видно, спекл-изображения представляют собой точечные изображения, относительный сдвиг которых надо определить.

На фиг.4 представлена структура оптически управляемого транспаранта [5, стр.201, 202] Транспарант функционирует следующим образом.

Модуляция света, основанная на использовании деформации сегнетокерамики при переориентации доменов, применена в конструкции устройства Ferricon (Ferroelectric Iconoscope). На сегнетокерамику 33 с обеих сторон нанесены слои фоточувствительного полупроводника 32, поверх которого нанесены проводящие электроды, с входной стороны полупрозрачный 31, а с выходной зеркальный 34. Перед записью к электродам прикладывают напряжение предварительной поляризации U_пол до получения насыщенной остаточной поляризации, нормальной к поверхностям, и равномерно засвечивают устройство со стороны входа через полупрозрачный электрод 31.

Параметры полупроводника и сегнетоэлектрика выбирают так, чтобы без засветки напряжение было приложено в основном к слоям фотопроводника. Затем к электродам подключают напряжение записи с полярностью, обратной напряжению поляризации, и через входной полупрозрачный электрод с помощью активного для фотопроводника света записи на структуру проецируется изображение поверхности 3 (через микроскоп 4 и полупрозрачное зеркало 5). В освещенных участках происходит перераспределение напряжения таким образом, что внешнее смещение приложено к сегнетоэлектрику. На этих участках происходит локальная переориентация доменов, направление которой зависит от величины приложенного напряжения в данной точке. Переориентация доменов сопровождается появлением локальных механических напряжений, вызывающих деформацию поверхности керамической пластинки, а следовательно, и деформацию выходного проводящего зеркального электрода. Сформированный на его поверхности геометрический рельеф будет воспроизводить распределение освещенности в записываемом изображении.

Для стирания информации производится равномерная засветка структуры активным для фотопроводника светом с одновременной подачей на электроды напряжения предварительной поляризации.

На фиг. 5 представлена принципиальная электрическая схема управляемого блока питания оптически управляемого транспаранта.

УБПОУТ состоит из следующих элементов [8, стр.31]
35 схема И;
36 схема ИЛИ;
37 коммутатор (реле);
38, 49 диод;
40, 47, 50 транзисторы;
41, 43, 48, 51, 63 резисторы;
42, 44, 45, 46, 53 62 конденсаторы;
52 трансформатор.

УБПОУТ содержит электронный ключ, собранный на транзисторе 40 (VТ1), генератор напряжения (транзисторы 47, 50 (VТ2 VТ3)), трансформатор 52 и умножитель напряжения, собранный на элементах 54 70, кроме этого УБПОУТ включает в себя схемы И, ИЛИ (35 36), используемые для включения режимов "Запись" или "Стирание" ЭИ или ТИ, а также коммутатор 37 (с соответствующими группами контактов К1.1 К2.3), используемый для включения (отключения) высоковольтного питания.

УБПОУТ состоит из двух одинаковых блоков для питания ПОУТ 7 и ВОУТ 22.

Работает УБПОУТ следующим образом.

Включение блока питания происходит по сигналам "Запись ЭИ", "Стирание ЭИ", "Запись ТИ", "Стирание ТИ", поступающим от интерфейса 25. При поступлении любого из этих сигналов включается генератор, построенный на транзисторах 47, 50, и в первичную обмотку трансформатора 52 поступает напряжение. Трансформатор 52 повышает напряжение, дальнейшее повышение напряжения обеспечивается умножителем (элементы 54 70). В случае прихода сигнала "Запись ЭИ" (или "Запись ТИ") катушка реле 37 обесточена и включена первая половина умножителя. Подается напряжение записи считывания соответствующей полярности на ПОУТ 7.

При сигнале "Стирание ЭИ", "Стирание ТИ" через ключ включается реле 37 (К1). Оно обеспечивает включение умножителя (второй половины) и переключение полярности на выходе. Т.о. обеспечивается автоматическое переключение полярности и увеличение напряжения для стирания изображения, записанного в ПОУТ 7, ВОУТ 22.

На фиг.6 представлен вариант исполнения оптического затвора 6, 21. Оптические затвор состоит из следующих элементов [6, стр.183]
71 волноводы;
72 электроды.

Оптический затвор представляет собой волноводный модулятор. При подаче на него с интерфейса 25 логической "1" (управляющего напряжения U_упр) модулятор пропускает оптический сигнал, подающийся на вход (I_вх). В противном случае модулятор прерывает оптический сигнал (оптический сигнал I_вых отсутствует).

На фиг.7 представлен вариант исполнения блока управления и синхронизации 19. Этот блок выполнен для случая управления лазерами, не имеющими системы управления от микроЭВМ (например, от микроЭВМ "Электроника-60"). БУС включает в себя четыре одинаковых коммутатора 73 76, включающих соответствующие лазеры 1, 2 по сигналам управления, приходящим с интерфейса 25.

Каждый из коммутаторов 73 76 содержит следующие элементы:
77, 81 резистор;
78 реле;
79 транзистор;
80 диод;
82 конденсатор.

Работа такого коммутатора проста. Сигнал управления, поступающий от интерфейса 25, открывает транзистор 79 (VТ1), который подает напряжение на катушку реле 78 (К1), включающего своими контактами (К1.1) соответствующий лазер 1, 2 или лазеры в блоках считывания 8, 23.

БУС осуществляет следующую последовательность операций:
1) включение лазера 1 при сигналах интерфейса 25 "Запись ЭИ", "Запись ТИ";
2) включение лазера 2 при сигнале "Стирание";
3) включение лазеров в ПБС 8 и ВБС 23 при сигнале "Считывание".

Следует отметить, что конкретное исполнение БУС зависит от типа лазеров. Если в них предусмотрено управление (включение) сигналом U 5В, то необходимость в этой части БУС отпадает, управление будет происходить непосредственно от интерфейса 25.

Вариант реализации интерфейса 14 описан в [3, стр.202 206] Интерфейс 14 представляет собой буферное запоминающее устройство (БЗУ), позволяющее запомнить изображение, снимаемое (считываемое) телекамерой 13, а также выводить изображение ВКФ на экран монитора 17. БЗУ обеспечивает также управление БУС 19, УБПОУТ 18 и оптическими затворами 6, 21. В качестве интерфейса 14 можно использовать также стандартный интерфейс И2 [9]
На фиг. 8 представлены временные диаграммы работы блоков предлагаемого устройства (электрических и световых сигналов оптической части устройства) в соответствии с управляющими сигналами микроЭВМ. Все необходимые пояснения даны на рисунке.

На фиг. 9 представлена блок-схема корреляционного алгоритма работы ЭВМ, позволяющая оценивать координаты наибольшего значения ВКФ (по которым определяется смещение деформированного участка объекта относительно недеформированного участка). Работа алгоритма начинается с запоминания изображения ВКФ в интерфейсе 14 и перезаписи его в память микроЭВМ (блок 83). Затем формируется окно (окрестность точек) размером 3х3 (блок 84), по которому осуществляется анализ ВКФ и производится грубая оценка координат наибольшего значения ВКФ (блок 85). Если наибольшее значение ВКФ находится в центре окрестности (блок 86), то производится аппроксимация (сглаживание) функции, вычисление координат (блоки 87) и обработка полученного результата (блок 89). Если наибольшее значение ВКФ не находится в центре окрестности, то определяется направление движения к экстремуму (ЕХТR) (блок 88), перепись и формирование новых точек (блоки 90, 91) и повторение алгоритма. Программа реализована на языках Си, Квейсик и Ассемблера.

Предлагаемый способ позволяет с более высоким быстродействием оценивать деформацию и напряжение за счет формирования ВКФ ТИ и ЭИ в оптическом диапазоне, а не на микрокомпьютере, как в известном способе. При этом значительно уменьшается объем информации, перерабатываемой микроЭВМ.

Предлагаемое устройство обладает более высоким быстродействием по сравнению с известным. Покажем это. Быстродействие предлагаемого устройства будет выше в n' раз по сравнению с известным, т.е.

где t_пр.у время определения деформации предлагаемым устройством;
t_изв.у время определения деформации известного устройства.

Определим быстродействие предлагаемого устройства

где t₁ время прохождения светового потока от лазера 2 до ПОУТ 7 и ВОУТ 22; t₂ время подготовки ПОУТ 7 и ВОУТ 22 к записи изображений (стирание информации, находящейся в оптических управляемых транспарантах); t₃ время прохождения светового потока от лазера 1 до ПОУТ 7; t₄ время записи эталонного изображения в ПОУТ 7; t₅ время механической деформации объекта исследования; t₆ время прохождения луча лазера 1 до ВОУТ 22 (запись текущего изображения); t₇ время записи текущего изображения ВОУТ 22; t₈ время считывания изображений, осуществляемых ПБС 8 и ВБС 23 с соответствующих транспарантов 7, 22 (это быстродействие обуславливается техническими характеристиками ПОУТ 7, ВОУТ 22, УБПОУТ 18, БУС 19); t₉ время прохождения световых потоков лазеров от ПБС 8 и ВБС 23 до телевизионной камеры 13; t₁₀ время записи оптического изображения ВКФ в интерфейс 14; t₁₁ время анализа ВКФ на микроЭВМ 15 (время оценки величины деформации); t₁₂ время, затрачиваемое микроЭВМ 15 и интерфейсом 25 на управление оптическими затворами 6, 21.

Подставим конкретные данные в формулу (3). При этом следует отметить, что времена t₁, t₃, t₆, t₉ можно не учитывать из-за малости по сравнению с временами t₂, t₄, t₅, t₇, t₈, t₁₀, t₁₁ (это обусловлено прохождением лучей со скоростью света между соответствующими блоками устройства). Таким образом t₁ t₃ t₆ t₉ 0. Кроме того, вpемя t₅ деформации объекта можно также не учитывать, т.к. оно не зависит от реализации устройств и является величиной постоянной.

Времена t₂, t₄, t₇, t₈ при использовании в качестве сегнетоэлектрика ниобата лития, легированного железом, равны 3·10^-9 с и более [6, стр.69] Время t₁₀ 20·10^-3 с для изображения ВКФ размером 256·256 (3, стр.211] а время t₁₁ + t₁₂ 1,2·10^-5 с. Таким образом t_пр.у (3·10^-9)·4 + 2· 10^-2 + 1,2·10^-5 ≈ 0,02012 с.

Быстродействие известного устройства определяется следующим выражением:

где t'₁ время прохождения светового потока от лазера 1 до объекта 3 и далее на телевизионную камеру 13; t'₂ время записи ЭИ в память интерфейса 14; t'₃ время записи ТИ в память интерфейса 14; t'₄ - время, затрачиваемое на деформацию объекта 3; t'₅ время обработки информации на микроЭВМ15 (формирование ВКФ, оценка линейных координат - определение деформации объекта). Время t'₁ можно не учитывать из-за распространения потока со скоростью света. Времена t'₂ t'₃ 20·10^-3 с [3, стр.211] Время t'₄ можно не учитывать так же, как и время t₅. Время t'₅ 15 с (для изображений размером 256·256) и более.

Подставляя данные в формулу (4), получаем
t_изв.у 20·10^-3 + 20·10^-3 + 15 с 15,04 с.

Окончательно по формуле (2) получаем

Таким образом предлагаемое устройство в 745,5 раза быстрее определяет деформацию участка объекта. 2 4

Формула изобретения

1. Способ определения деформации и напряжения элементов конструкций, включающий формирование светового изображения объекта до и после деформации, преобразование оптического изображения в электрический сигнал, цифровое вычисление взаимно-корреляционной функции по параметрам которой вычисляют деформации и напряжения, отличающийся тем, что световое изображение исходного объекта увеличивается и запоминается в первом оптически проявляемом транспаранте, а световое изображение деформированного объекта увеличивается и запоминается во втором оптически управляемом транспаранте, производится синхронное считывание, фильтрация для рассеивания светового потока, несущего информацию об изображении, перемножение и интегрирование исходного и деформированного изображений и получение ВК, а по положению максимума взаимно-корреляционной функции определяются деформации и напряжения.

2. Устройство для определения деформации и напряжения элементов конструкций, содержащее лазер, освещающий объект и последовательно соединенные телевизионную камеру и интерфейс, одним выходом соединенный с монитором, двумя другими с телевизионной камерой, а двунаправленной шиной с вычислительным блоком, выходом подключенным к дисплею, отличающееся тем, что в него введены второй лазер, микроскоп, первое и второе полупрозрачные зеркала, первый и второй оптические затворы, первый и второй оптически управляемые транспаранты, первый и второй блоки считывания, первый и второй фильтры, первое и второе зеркала, линза, дополнительный интерфейс, управляемый блок питания оптически управляемых транспарантов и блок управления и синхронизации, причем микроскоп, вход которого оптически связывается с объектом, а выход оптически связан с входом телевизионной камеры через последовательно соединенные первое полупрозрачное зеркало, первый оптический затвор, управляющим входом подключенный к выходу дополнительно введенного интерфейса, первый оптический управляемый транспарант, двумя отдельными входами подключенный к выходам управляемого блока питания оптически управляемых транспарантов, первый блок считивания, вторым входом подключенный к выходу блока управления и синхронизации, первый фильтр, первое зеркало, второе полупрозрачное зеркало и линза, а также между выходом первого полупрозрачного и вторым входом второго полупрозрачного зеркала включены последовательно соединенные второе зеркало, второй оптический затвор, вторым входом подключенный к выходу дополнительного интерфейса, второй оптически управляемый транспарант, двумя отдельными входами подключенный к выходам управляемого блока питания оптически управляемых транспарантов, второй блок считывания, вторым входом подключенный ко второму выходу блока управления и синхронизации, и второй фильтр, причем отдельные выходы первого блока считывания и второго блока считывания подключены к отдельным входам первого оптически управляемого транспаранта и второго оптически управляемого транспаранта, а отдельный выход дополнительного интерфейса соединен двунаправленной шиной с вычислительным блоком, а другой отдельный выход дополнительного интерфейса подключен к входам управляемого блока питания оптически управляемых транспарантов и блока управления и синхронизации, первым выходом соединенный с входом первого лазера, а другим выходом через дополнительно введенный второй лазер со вторым входом первого полупрозрачного зеркала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9