РАЗДЕЛ 2
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ
СПЕКЛ-ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ
Высокие требования, предъявляемые к прочности, надежности, качеству и точности
современных сварных конструкций вызывают необходимость получения достаточно
полной информации об особенностях формирования и распределения остаточных
напряжений по всему полю исследуемых объектов из конструкционных материалов.
Интенсивно развивающийся оптический метод экспериментальной механики – метод
электронной спекл-интерферомерии открывает широкие перспективы в решении таких
задач. Наряду с возможностью проведения измерений одновременно по всей
поверхности конструктивных элементов к преимуществам указанного метода
относятся высокая чувствительность, бесконтактность измерений, отсутствие
влияния электромагнитных полей и высоких температур на получаемые результаты,
возможность автоматизации анализа спеклограмм. Применение этого метода для
изучения напряженного состояния сварных соединений потребовало всесторонней
разработки методических вопросов.
2.1. Принцип работы спекл-интерферометра для измерения перемещений.
Когерентный лазерный свет, попадая на шероховатый диффузно-отражающий объект,
претерпевает случайную модуляцию, которая проявляется в структуре рассеянного
излучения, делая его пространственно неоднородным. Они располагаются случайным
образом в плоскости наблюдения, имея при этом случайную форму и размеры.
Образованные пятнистые световые поля называют спекл-структурами или
спекл-картинами (от англ. speckle - пятнышко).
Предполагается, что каждая точка освещаемой поверхности поглощает и
переизлучает свет и, следовательно, действует как источник сферических волн,
которые подобны вторичным волнам в принципе Гюйгенса-Френеля. Если эти волны
взаимно когерентны, то они складываются по амплитуде – интерферируют и
результирующая амплитуда поля в точке P определяется с учетом вклада фазовых
сдвигов и амплитуд каждой элементарной волны:
, (2.1)
где N – число независимых областей на освещенном участке поверхности, – вклад в
дифрагированное поле от n-го рассеивающего участка.
Поскольку и - случайные величины вследствие случайности изменения высоты
рельефа поверхности, то результирующая амплитуда , фаза и интенсивность поля
также будут случайными функциями. Контрастные ярко выраженные спекл-структуры
наблюдаются, когда фазовые сдвиги лежат в интервале радиан. Для этого
достаточно, например, чтобы высоты рельефа поверхности были бы сравнимы с
длиной волны когерентного источника излучения l, поскольку .
Из статистики известно, что при довольно общих условиях, распределение
суммарной случайной величины стремится к распределению, описываемого кривой
Гаусса, если N стремится к бесконечности. Это означает, что если число
неоднородностей освещенного участка поверхности достаточно велико, то
комплексная амплитуда рассеянного поля подчиняется гауссовому распределению.
При этом не играет роли, какова была исходная статистика отдельных компонентов
, участвовавших в формировании результирующего поля .
Спекл-интерферометрия предполагает наблюдение световой волны, рассеянной
оптически шероховатой поверхностью, которая освещается когерентным световым
источником. Рассеянное излучение собирается линзой в плоскости изображения
предмета. При рассмотрении этого метода необходимо уметь вычислять фазу и
амплитуду света в плоскости наблюдения. Предполагается, что плоскость
изображения предмета совпадает с плоскостью наблюдения. Поверхность освещается
волной, выходящей из точки S (рис.2.1). Свет, рассеянный точкой P на
поверхности предмета, с помощью линзы L проецируется в точку Q.
Рис.2.1. Оптический путь луча.
Если предмет сместить так, чтобы точка P сместилась на вектор и совпала с
точкой P' (рис.2.2), то оптический путь от источника S до точки в плоскости
наблюдения через заданную точку поверхности изменится. Изменение фазы,
связанное с этим изменением оптического пути, лежит в основе спекл-методов для
измерения смещений точек поверхности.
В схеме наблюдения оптический путь между точками S и Q можно представить как
сумму трех слагаемых: 1) путь от S до P; 2) путь , связанный с изменением
высоты рельефа поверхности; 3) путь от P до Q.
Изменение пути , связанное с первым слагаемым, определяется формулой (рис.2.2,
а)
. (2.2)
Поскольку на практике прямые SP и SP' почти параллельны, то , и, следовательно,
. (2.3)
Если направление отрезка SP задать единичным вектором , то выражение (2.3)
можно переписать в виде:
. (2.4)
В связи с тем, что шероховатости поверхности в заданной точке практически не
изменяются вследствие деформации, то величину можно считать постоянной.
Изменение пути, связанное с третьим слагаемым, определяется формулой (рис.2.2,
б):
. (2.5)
а)
б)
Рис.2.2. Ход лучей, который рассматривается при вычислении разности фаз между
освещающими волнами, обусловленный смещением точки поверхности на вектор .
Предполагается, что направления, по которым распространяется рассеянный свет
между точками P и Q и между P' и Q', являются приблизительно параллельными и
зависят от условий наблюдения, т.е. от того, совпадает ли плоскость наблюдения
с плоскостью изображения или нет. Если это направление задать вектором , то
выражение (2.5) примет вид:
. (2.6)
Следовательно, полное изменение фазы, обусловленное смещением, определяется
формулой
. (2.7)
Метод спекл-интерферометрии предполагает интерференционное сравнение оптических
образов двух состояний объекта: начального и измененного (смещенного ил
- Київ+380960830922