Устройство для определения годности цилиндрических резонаторов частотных датчиков давления

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для метрологического обеспечения контроля при изготовлении частотных датчиков давления. Устройство содержит источник лазерного излучения 1, опорный и предметный тракты с формирователями света, коническое кольцевое зеркало 10 подсветки и регистратор изображения 13, при этом упомянутое зеркало 10 выполнено с углом при вершине конуса 90°, а резонатор 12 закреплен в зеркале 10 так, что его геометрическая ось совмещена с оптической осью зеркала. Технический результат - возможность получения интерференционной картины полной поверхности резонатора, упрощение конструкции и методики обработки результатов измерения. 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для метрологического обеспечения технологии изготовления частотных датчиков давления, а также может найти применение при исследовании напряженно-деформированного состояния оболочек цилиндрической формы.

Известен способ определения годности цилиндрических резонаторов частотных датчиков давления, основанный на анализе голографической интерферограммы, формирующейся при возбуждении в резонаторе собственных колебаний на резонансной частоте в режиме автогенерации. Наличие неискаженных форм собственных колебаний основного тона в рабочем диапазоне давлений с неизменным положением узлов и пучностей на поверхности цилиндрического резонатора с постепенным изменением числа интерференционных полос при изменении давления от минимального до максимального значения свидетельствует о годности резонатора. Для реализации этого способа было создано устройство, содержащее источник оптического когерентного излучения, оптически связанные между собой опорный и предметный тракты, зеркало дополнительной подсветки и регистратор интерферограммы, а также электронную и пневматическую части устройства. Зеркало дополнительной подсветки расширяет сектор обзора цилиндрического резонатора до 270° (см., например, авторское свидетельство СССР №1597632, G 01 L 11/00, 1988).

Такое техническое решение не отвечает современному уровню производства частотных датчиков давления и имеет ряд существенных недостатков. Так, например, не обеспечивается возможность полного обзора поверхности резонатора в 360° , а также требуется сложная методика получения интерферограмм.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для получения круговых голограмм типа КГ-100, которое предназначено для исследования напряженно-деформированного состояния полых металлических цилиндров, содержащее источник оптического когерентного излучения, опорный и предметный тракты, оптически связанные между собой с помощью светоделительной системы, состоящей из зеркальной пирамиды и кольцевой призмы, а также кольцевое коническое зеркало подсветки, регистратор голограммы с плоскими зеркалами и восемью фотопластинками и узел для закрепления контролируемого объекта (см., например, книгу: Гинзбург В.М., Степанов Б.М. Голографические измерения. - М.: Радио и связь, 1981, с.31).

К недостаткам этого устройства относится сложность многоканальной схемы получения и регистрации интерференционной картины на отдельных фотопластинках, которая требует сложной методики обработки результатов исследования. Кроме того, использование большого числа фотопластинок и формирование оптической системой расходящейся световой волны приводит к потерям световой энергии и требует применения мощного лазера.

Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, это упрощение конструкции устройства и методики обработки результатов измерения и снижение мощности используемого лазера.

При этом достигаемый технический результат заключается в получении интерференционной картины полной круговой поверхности цилиндрического резонатора в 360° по одноканальной схеме, возможности применения техники регистрации изображения на основе видеокамеры и в упрощении методики расшифровки интерферограмм.

Указанный технический результат достигается благодаря тому, что в устройстве для определения годности цилинрических резонаторов частотных датчиков давления, содержащем источник оптического когерентного излучения, оптически связанные между собой опорный и предметный тракты с формирователями света, коническое кольцевое зеркало подсветки, узел для закрепления резонатора и регистратор изображения интерферограммы, упомянутое коническое кольцевое зеркало подсветки выполнено с углом при вершине конуса 90° , а узел для закрепления резонатора сопряжен с основанием меньшего диаметра кольцевого зеркала так, что при установке резонатора в рабочее положение его геометрическая ось должна быть совмещена с оптической осью конического кольцевого зеркала, при этом диаметр большего основания конического кольца D_max должен удовлетворять условию D_max≥d+2· l, где d - диаметр резонатора, l - длина резонатора.

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена принципиальная схема устройства, а на фиг.2 - интерференционная картина полной поверхности резонатора.

Оптическая часть устройства содержит источник оптического когерентного излучения - лазер 1 (см. фиг.1), светоделитель 2, делящий исходный лазерный луч по интенсивности на две равные части, зеркала 3 и 4 с коэффициентами отражения, близкими к 1; короткофокусную линзу 5 для формирования опорной световой волны, коллиматор 6, состоящий из двух линз с совмещенными фокусами, для формирования коллимированного излучения предметного тракта, нейтральный ослабитель света 7 для подбора требуемого отношения интенсивностей предметного и опорного трактов, диффузное стекло 8 с соответствующей шероховатостью поверхности для формирования требуемого размера спеклов на поверхности цилиндрического резонатора, полупрозрачное зеркало 9 с коэффициентом отражения 0,5 для направления световой волны опорного тракта и отраженного от поверхности резонатора света на фоторегистратор, коническое кольцевое зеркало 10 подсветки, которое имеет при вершине конуса угол 90° . С основанием меньшего диаметра кольцевого зеркала 10 сопряжен узел 11 для закрепления цилидрического резонатора 12. При этом геометрическая ось резонатора совмещена с оптической осью кольцевого зеркала. Для того чтобы освещалась вся поверхность цилиндрического резонатора 12, размер конического кольцевого зеркала 10, а именно его основание большего диаметра D_max должно удовлетворять условияю D_max≥d+2· l, где d - диаметр резонатора, l - длина резонатора.

Для регистрации интерферограмм используется видеокамера 13 с ее оптической системой.

Электрическая часть 14 устройства содержит автогенератор, частотомер и контрольно-измерительные приборы. Цилиндрический резонатор 12 имеет не показанные на чертеже расположенные внутри него две электромагнитные катушки возбуждения и съема колебаний, полюса которых развернуты друг относительно друга на 90° . При этом катушка возбуждения резонатора включена в цепь положительной обратной связи автогенератора для возбуждения колебаний на резонансной частоте в режиме автогенерации.

Пневматическая часть 15 устройства содержит задатчик давлений, соединенный каналом с внутренней полостью резонатора, контрольно-измерительный прибор и коммутирующие элементы.

Для регистрации, обработки и отображения получаемого изображения интерферограммы помимо видеокамеры 13 используется персональный компьютер 16 и монитор 17.

Описанная конструкция устройства благодаря оптической схеме с прямоугольным коническим кольцевым зеркалом, освещающим всю поверхность резонатора, позволила ввести в предметный тракт диффузное стекло 8 и освещать поверхность резонатора диффузным светом, что дало возможность перейти максимально простыми средствами от голографической интерферометрии к спекл-интерферометрии (см., например, книгу Джоунс Р., Уайкс К. Голографическая и спекл-интерферометрия, - М.: Мир, 1986, с.124-126). Это обстоятельство обеспечило ряд дополнительных преимуществ, вытекающих из свойств спекл-интерферометрии. Во-первых, это снижение требований к разрешающей способности регистратора. Связано это с тем, что здесь требуется обеспечить лишь разрешение спекл-структуры, а не тонкой структуры интерференционных полос, возникающих на голограмме в результате интерференции предметной и опорной волн. Типичные размеры спеклов находятся в пределах 5-100 мкм и, следовательно, для записи спекл-структуры можно использовать стандартную видеокамеру. Во-вторых, это снижение требований к виброзащите устройства, так как для регистрации голографической интерферограммы в известном устройстве смещение оптомеханических элементов схемы во время экспозиции не должно превышать сотых долей микрометра (см., например, книгу: Антонов Е.А., Гинзбург В.М. и др. Оптическая голография: Практические применения. -М.: Советское радио, 1978. с.18-19), а при использовании спекл-интерферометрии из-за более крупных размеров спеклов это требование налагает менее жесткие ограничения.

На фиг.2 изображена интерферограмма колеблющейся поверхности резонатора, состоящая из зон узлов 18, пучностей 19 и интерференционных полос 20.

Работа предлагаемого устройства заключается в следующем. Сначала в цилиндрическом резонаторе 12 возбуждаются собственные колебания на основном тоне в режиме автогенерации, контролируя при этом значение выходного сигнала возбуждения, его частоту и форму с помощью соответствующих электронных приборов электрической части 14. Затем резонатор освещается лазерным излучением предметного тракта, сформированного из луча лазера 1, отраженного от делителя света 2, и прошедшего через коллиматор 6, диффузное стекло 8 и полупрозрачное зеркало 9. Диффузное стекло 8 предназначено для создания спекловой структуры освещения зеркальной поверхности цилиндрического резонатора. Полученный таким образом параллельный пучок света поступает на коническое кольцевое зеркало подсветки 10 и затем на поверхность цилиндрического резонатора, освещая полностью всю его поверхность в диапазоне 360° . Далее отраженный от поверхности резонатора 12 свет возвращается вновь на коническое зеркало 10, которое имеет угол при вершине конуса 90° , и направляет его с тем же самым световым диаметром на полупрозрачное зеркало 9 и далее на поверхность светочувствительного элемента видеокамеры 13. Сюда же поступает световой пучек опорного тракта, сформированный с помощью оптических элементов 3, 5, 7 и 4. В результате взаимодействия опорной световой волны со световым распределением изображения поверхности резонатора, отображаемом в зеркале 10, на поверхности светочувствительного элемента видеокамеры формируется интерферограмма механических колебаний поверхности исследуемого резонатора. Эта интерферограмма несет в себе информацию о распределении амплитуд и фаз, узлов и пучностей форм собственных колебаний поверхности резонатора и представляется совокупностью интерференционных полос, изображенных на фиг.2. Интерферограмма на поверхности светочувствительного элемента видеокамеры существует в виде электрического потенциального рельефа. Этот рельеф считывается, преобразуется в электрические сигналы, которые обрабатываются с помощью персонального компьютера.

При этом изменение давления от минимального до максимального значения в рабочем диапазоне будет создавать интерференционную картину с неизменным положением узлов 18 и пучностей 19, но с переменным числом интерференционных полос 20, что свидетельствует о нормальной работе резонатора и, следовательно, о его годности.

Искажение форм собственных колебаний основного тона проявляется в отсутствии узлов или в искривлении интерференционных полос. Это обусловлено неравномерностью толщины стенки резонатора в окружном и осевом направлениях, а также дефектами типа вмятин, царапин и т.п., что свидетельствует о некачественном изготовлении резонатора.

Разработка устройства для определения годности цилиндрических резонаторов находится на стадии опытно-конструкторских работ, по завершении которых устройство будет использовано для автоматизации процесса разбраковки резонаторов, являющихся чувствительными элементами частотных датчиков давления, в условиях как опытного, так и серийного производства.

Устройство для определения годности цилиндрических резонаторов частотных датчиков давления, содержащее источник оптического когерентного излучения, оптически связанные между собой опорный и предметный тракты с формирователями света, коническое кольцевое зеркало подсветки, узел для закрепления резонатора и регистратор изображения интерферограммы, отличающееся тем, что коническое кольцевое зеркало подсветки выполнено с углом при вершине конуса 90° , а узел для закрепления резонатора сопряжен с основанием меньшего диаметра кольцевого зеркала так, что при установке резонатора в рабочее положение его геометрическая ось должна быть совмещена с оптической осью кольцевого зеркала, при этом диаметр большего основания конуса D_max должен удовлетворять условию D_max≥d+2· l, где d - диаметр резонатора, l - длина резонатора.