Интерференционный измеритель малых перемещений

Изобретение предназначено для измерения малых перемещений поверхностей объектов контроля и основано на применении оптических интерференционных методов. Устройство содержит оптически связанные и последовательно размещенные источник когерентного оптического излучения, оптическую систему, светоделитель, отражатель, экран и фотоприемное устройство. Отражатель закреплен на поверхности объекта контроля, жестко скрепленного с опорным основанием, и расположен под углом к светоделителю. Также на опорном основании жестко закреплен имитатор объекта контроля. На поверхности имитатора установлен дополнительный отражатель, который размещен в одной плоскости с отражателем на поверхности объекта контроля. Имитатор выполнен с возможностью регулировки положения дополнительного отражателя. В плоскости экрана в области интерференционной картины установлено фотоприемное устройство и дополнительное фотоприемное устройство. На экран дополнительно спроецирована интерференционная картина от дополнительного отражателя. Выходы фотоприемных устройств электрически соединены со входами дифференциального усилителя, выход которого связан с устройством регистрации, обработки и отображения результатов измерений. Технический результат - повышение точности результатов измерений малых перемещений поверхности объектов контроля. 4 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к оптическим устройствам для измерения малых перемещений поверхностей объектов контроля, основанным на применении оптических интерференционных методов.

Известны оптические устройства для измерения перемещений поверхностей объектов контроля, основанные на применении интерференционных методов (RU №2169348, заявка №99120531/28 от 28.09.1999 г., G01B 9/021, G01C 22/00, опубл. 20.06.2001 г. Бюл. №17) [1], (Попов А.В. Оценка опасности дефектов конструкций по данным бесконтактного акустико-эмиссионного неразрушающего контроля // Автометрия. 2001. №1. С.84-87) [2] и др., содержащие оптически связанные и последовательно размещенные источник когерентного оптического излучения, оптическую систему, светоделитель, отражатель, закрепленный на поверхности объекта контроля, жестко скрепленного с опорным основанием, и экран с установленными на нем фотоприемными устройствами. При этом светоделитель и отражатель расположены относительно друг друга под углом α, полученная при совмещении опорного и объектного пучков интерференционная картина, представляющая собой совокупность колец различной интенсивности, проецируется на экран, а фотоприемные устройства (например, фотодиоды, матрица фотоприемников и т.п.) установлены в плоскости экрана в заданных областях интерференционной картины.

Существенным недостатком данных устройств является низкая точность результатов измерений малых перемещений поверхностей объектов контроля. Отмеченный недостаток обусловлен тем, что в процессе проведения измерений имеют место внешние нестационарные и, как правило, случайные возмущения (например, вибрации технологического испытательного оборудования, воздействия различной природы и т.п.), которые от основания с установленным на нем объектом контроля передаются через последний на контролируемую поверхность и вызывают ее дополнительные перемещения (а соответственно и дополнительные перемещения закрепленного на ней отражателя), что приводит к внесению случайных погрешностей в результаты измерений, снижая их точность.

По совокупности признаков наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения, принимаемым за прототип, является устройство для измерения линейных перемещений оптическим датчиком (Паринов И.А., Попов А.В., Рожков Е.В., Прыгунов А.Г. Калибровка акустических преобразователей методом голографической интерферометрии // Дефектоскопия. 2000. №1. С.66-71) [3], содержащее оптически связанные и последовательно размещенные источник когерентного оптического излучения, оптическую систему, светоделитель, отражатель, закрепленный на поверхности объекта контроля, жестко скрепленного с опорным основанием, и экран с установленными на нем фотоприемными устройствами. При этом светоделитель и отражатель расположены относительно друг друга под углом α, полученная при совмещении опорного и объектного пучков интерференционная картина, представляющая собой совокупность колец различной интенсивности, проецируется на экран, а фотоприемные устройства (фотодиоды) установлены в плоскости экрана в кольце одинаковой интенсивности (одного порядка) интерференционной картины, симметрично относительно ее центра.

Существенным недостатком данного устройства является низкая точность результатов измерений малых перемещений поверхностей объектов контроля, обусловленная тем, что в процессе проведения измерений имеют место внешние нестационарные и, как правило, случайные возмущения (например, вибрации технологического испытательного оборудования, воздействия различной природы и т.п.), которые от основания с установленным на нем объектом контроля передаются через последний на контролируемую поверхность и вызывают ее дополнительные перемещения (а соответственно и дополнительные перемещения закрепленного на ней отражателя), что приводит к внесению случайных погрешностей в результаты измерений, снижая их точность.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение точности результатов измерений малых перемещений поверхностей объектов контроля.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что предлагаемый интерференционный измеритель малых перемещений содержит оптически связанные и последовательно размещенные источник когерентного оптического излучения, оптическую систему, светоделитель, отражатель, закрепленный на поверхности объекта контроля, жестко скрепленного с опорным основанием, и расположенный под углом к светоделителю, экран с установленным в его плоскости в заданной области интерференционной картины фотоприемным устройством. В соответствии с изобретением на опорном основании в области, облучаемой пучком оптического излучения за оптической системой, жестко закреплен имитатор объекта контроля с установленным на его поверхности дополнительным отражателем, причем имитатор выполнен с возможностью регулировки положения дополнительного отражателя, размещенного в одной плоскости с отражателем, закрепленным на поверхности объекта контроля, на экран дополнительно спроецирована интерференционная картина, полученная при совмещении опорного пучка от светоделителя и объектного пучка от дополнительного отражателя, при этом в плоскости экрана в ее области, аналогичной области интерференционной картины, полученной при совмещении опорного пучка от светоделителя и объектного пучка от отражателя, закрепленного на поверхности объекта контроля, установлено дополнительное фотоприемное устройство, а выходы фотоприемных устройств электрически соединены со входами дифференциального усилителя, выход которого связан с устройством регистрации, обработки и отображения результатов измерений.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 схематично изображен предлагаемый интерференционный измеритель малых перемещений, а на фиг.2 - увеличенное изображение экрана с размещенными в его плоскости фотоприемниками.

Предлагаемый интерференционный измеритель малых перемещений содержит оптически связанные и последовательно размещенные источник 1 когерентного оптического излучения, оптическую систему 2, светоделитель 3, отражатель 4, закрепленный на поверхности 5 объекта контроля 6, жестко скрепленного с опорным основанием 7, и расположенный под углом α к светоделителю 3, экран 8 с установленным в его плоскости в заданной области интерференционной картины 9 фотоприемным устройством 10.

Предлагаемый интерференционный измеритель малых перемещений также содержит имитатор 11 объекта контроля с установленным на его поверхности 12 дополнительным отражателем 13, причем имитатор 11 жестко закреплен на опорном основании 7 в области, облучаемой пучком 14 оптического излучения за оптической системой 2, и выполнен с возможностью регулировки положения дополнительного отражателя 13 (например, снабжен устройствами для регулировки положения дополнительного отражателя 13, или представляет собой объект, аналогичный объекту контроля 6, и дополнен комплектом установочных прокладок и т.п.).

Дополнительный отражатель 13 размещен в одной плоскости с отражателем 4, закрепленным на поверхности 5 объекта контроля 6.

На экран 8 дополнительно спроецирована интерференционная картина 15, полученная при совмещении опорного пучка 16 от светоделителя 3 и объектного пучка 17 от дополнительного отражателя 13.

В плоскости экрана 8 в ее области, аналогичной области интерференционной картины 9, полученной при совмещении опорного пучка 16 от светоделителя 3 и объектного пучка 18 от отражателя 4, закрепленного на поверхности 5 объекта контроля 6, установлено дополнительное фотоприемное устройство 19, т.е., например, фотоприемное устройство 10 и дополнительное фотоприемное устройство 19 установлены соответственно в кольцах первого порядка интерференционных картин 9 и 15, как это показано на фиг.1 и фиг.2 и т.п.

Выходы фотоприемных устройств 10 и 19 электрически соединены со входами дифференциального усилителя 20, выход которого связан с устройством 21 регистрации, обработки и отображения результатов измерений.

Предлагаемый интерференционный измеритель малых перемещений работает следующим образом.

Перед началом проведения контроля (испытаний) на основании 7 жестко закрепляют объект контроля 6 с установленным на его поверхности 5 отражателем 4 и имитатор 11 объекта контроля с установленным на его поверхности 12 дополнительным отражателем 13. После этого осуществляется сборка оптической измерительной схемы путем последовательного расположения и обеспечения оптической связи источника 1 когерентного оптического излучения, оптической системы 2, светоделителя 3, при этом отражатель 4 и дополнительный отражатель 13 располагаются под углом α к светоделителю 3. При этом объект контроля 6 с отражателем 4 и имитатор 11 с дополнительным отражателем 13 располагаются на опорном основании 7 в области, облучаемой пучком 14 оптического излучения за оптической системой 2.

Далее производится регулировка положения дополнительного отражателя 13 при помощи имитатора 11 объекта контроля, выполненного с возможностью проведения данной операции, путем его размещения в одной плоскости с отражателем 4 таким образом, что на экране 8 проецируются интерференционные картины 9 и 15, полученные соответственно при совмещении опорного пучка 16 от светоделителя 3 и объектного пучка 18 от отражателя 4 и опорного пучка 16 от светоделителя 3 и объектного пучка 17 от дополнительного отражателя 13.

В плоскости экрана 8 в аналогичных заданных областях интерференционных картин 9 и 15 устанавливаются соответственно фотоприемное устройство 10 и дополнительное фотоприемное устройство 19, выходы которых электрически соединяются с дифференциальным усилителем 20.

Выход дифференциального усилителя 20 соединяется с устройством 21 регистрации, обработки и отображения результатов измерений.

В процессе проведения контроля (испытаний) фотоприемными устройствами 10 и 19 регистрируются интенсивности оптического поля по местам их установки в заданных областях интерференционных картин 9 и 15.

Сигналы фотоприемных устройств 10 и 19 передаются на входы дифференциального усилителя 20, где сигнал дополнительного фотоприемного устройства 19, содержащий информацию о перемещениях отражателя 13, вызванных случайными возмущениями, вычитается из сигнала фотоприемного устройства 10, содержащего информацию о перемещениях отражателя 4, вызванных суммарными перемещениями поверхности 5 объекта контроля 6 («полезный сигнал») в процессе контроля и случайными возмущениями. После чего сигнал с выхода дифференциального усилителя 20, содержащий только информацию о перемещениях поверхности 5 объекта контроля 6 в процессе контроля, передается на вход устройства 21 регистрации, обработки и отображения результатов измерений, в котором производится установление соответствия измеренной интенсивности однозначно связанному с ней перемещению поверхности 5 объекта контроля 6, его регистрация и отображение полученного результата измерений.

Для подтверждения правильности принятых технических решений, принципиальной возможности реализуемости предлагаемого изобретения и исследования его функциональных характеристик была разработана и изготовлена опытная экспериментальная установка, схема и состав элементов которой соответствовали предлагаемому изобретению и представлены на фиг.1 и фиг.2. Фотоприемные устройства 10 и 19 устанавливались в плоскости экрана в кольцах первого порядка интерференционных картин 9 и 15 соответственно.

На момент подачи настоящей заявки на изобретение проведены пробные испытания с использованием отмеченной опытной экспериментальной установки, в процессе которых моделировались следующие варианты:

- при фиксированном (постоянном) перемещении поверхности 5 объекта контроля 6 создавалось гармоническое воздействие, приложенное к опорному основанию 7;

- при импульсном перемещении поверхности 5 объекта контроля 6 создавалось гармоническое воздействие, приложенное к опорному основанию 7.

В процессе проведения пробных испытаний регистрировались сигналы на выходах фотоприемного устройства 10, дополнительного фотоприемного устройства 19 и дифференциального усилителя 20.

Результаты пробных испытаний представлены в виде осциллограмм на фиг.3 и фиг.4 соответственно для первого и второго из отмеченных вариантов моделирования, где на фиг.3 и фиг.4 кривая 22 - сигнал на выходе фотоприемного устройства 10, кривая 23 - сигнал на выходе дополнительного фотоприемного устройства 19, кривая 24 - сигнал на выходе дифференциального усилителя 20.

Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о правильности принятых технических решений, заложенных в конструкцию предлагаемого изобретения, принципиальной возможности его реализуемости и решении поставленной задачи разработки, а именно повышении точности результатов измерений малых перемещений поверхностей объектов контроля.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности результатов измерений малых перемещений поверхностей объектов контроля.

Проведенный сравнительный анализ выявил, что в отличие от устройств-аналогов и устройства-прототипа предлагаемый интерференционный измеритель малых перемещений характеризуется новыми признаками, а именно новыми конструктивными элементами, имеющими новые форму и расположение в его устройстве, позволяющими повысить точность результатов измерений малых перемещений поверхностей объектов контроля.

Предлагаемый интерференционный измеритель малых перемещений, сохраняя положительные качества приведенных в описании аналогов и прототипа, отличается по сравнению с ними повышением точности результатов измерений малых перемещений поверхностей объектов контроля путем регистрации перемещений, вызванных внешними возмущениями, и внесения поправок в результаты измерений и может быть применен в процессе высокоточных измерений малых линейных и угловых перемещений поверхностей объектов контроля при проведении экспериментальных исследований перспективных конструкций, оценке их технического состояния и диагностике, при исследовании акустико-эмиссионных процессов в твердых телах, исследовании процессов дефектообразования в ленточных высокотемпературных сверхпроводниках, исследовании волновых процессов в слоистых конструкциях и конструкциях, выполненных из анизотропных конструкционных материалов, в машиностроении, судостроении, авиастроении, ракетно-космической технике и т.п.

Интерференционный измеритель малых перемещений, содержащий оптически связанные и последовательно размещенные источник когерентного оптического излучения, оптическую систему, светоделитель, отражатель, закрепленный на поверхности объекта контроля, жестко скрепленного с опорным основанием, и расположенный под углом к светоделителю, экран с установленным в его плоскости в заданной области интерференционной картины фотоприемным устройством, отличающийся тем, что на опорном основании в области, облучаемой пучком оптического излучения за оптической системой, жестко закреплен имитатор объекта контроля с установленным на его поверхности дополнительным отражателем, причем имитатор выполнен с возможностью регулировки положения дополнительного отражателя, размещенного в одной плоскости с отражателем, закрепленным на поверхности объекта контроля, на экран дополнительно спроецирована интерференционная картина, полученная при совмещении опорного пучка от светоделителя и объектного пучка от дополнительного отражателя, при этом в плоскости экрана в ее области, аналогичной области интерференционной картины, полученной при совмещении опорного пучка от светоделителя и объектного пучка от отражателя, закрепленного на поверхности объекта контроля, установлено дополнительное фотоприемное устройство, а выходы фотоприемных устройств электрически соединены со входами дифференциального усилителя, выход которого связан с устройством регистрации, обработки и отображения результатов измерений.