Автоматизированный комплекс определения форм и частотных характеристик собственных колебаний

Классическая реализация интерферометрических измерений предполагает обеспечение жестких условий измерения, исключающих различного рода помехи. Как правило, интерферометрические установки стационарны и часто требуют механического контакта с контролируемым объектом. Расшифровка экспериментальных интерферограмм также является чрезвычайно трудоемким процессом, в результате которого могут появляться неоднозначные результаты. Особое внимание в настоящее время уделяется интерферометрическим методам основанных на применении цифровой спекл-интерферометрии. Цифровая спекл-интерферометрия позволяет исследовать реальные объекты в отличие от классической интерферометрии. Однако процесс записи и обработки интерферограмм в полном объеме не автоматизирован. Также не в полном объеме решены задачи определения частотных характеристик элементов механических конструкций при динамических нагрузках [1-5].

В данной работе представлена автоматизированная система определения форм колебаний и частотных характеристик колебательного процесса, состоящая из оптоэлектронного помехоустойчивого спекл-интерферометра с пакетом прикладного программного обеспечения.

Рис. 1. Внешний вид оптоэлектронного спекл-интерферометра

(длина волны 532 нм, мощность 50 мВт, длина когерентности более 50 м), цифровая видеокамера ВИДЕОСКАН-285/П-USB с размером ячейки 6.45x6.45 мкм, разрешением 1392x1040 пикселей и скоростью записи информации 7.7 Гц [6].

Одной из особенностей разработанного оптоэлектронного спекл-интерферометра является то, что в качестве опорного сигнала используется диффузно-рассеянное излучение. При такой оптической схеме можно контролировать взаимное распределение в спекл-структурах опорного и предметного пучков и, следовательно, нет жестких требований на гладкость волнового фронта опорной волны. Для получения интерферограммы приемлемого качества опорный сигнал должен быть согласован с предметным сигналом. Теоретически и экспериментально показано, что для этого необходимо хотя бы приблизительное равенства наиболее вероятных яркостей точек предметного и опорного сигналов.

Для выполнения этих требований в разработанном программном обеспечении предусмотрена специальная функция для определения и отображения соответствующих гистограмм яркости. Для уравнивания яркостей в устройстве пред- усмотрена регулировка интенсивности опорного сигнала с помощью аттенюатора, а регулировка интенсивности предметного сигнала осуществляется апертурной диафрагмой объектива. Также для повышения четкости изображения применяется подавление вредного влияния внешних случайных (с нулевым средним) колебаний измерительной оптической схемы путем регистрация массива кадров и последующее усреднение изображения интерферограммы по этим кадрам.

Принцип расшифровки интерферограммы, реализованный в разработанной автоматизированной системе, заключается в моделировании такой виртуальной волны с гладким криволинейным волновым фронтом – сплайна, которая, интерферируя с плоской волной, давала бы интерференционную картину по расположению полос совпадающую с экспериментальной полученной интерферограммой. В результате получается псевдоинтерферограмма. На рис. 2 на фоне экспериментальной интерферограммы представлена наложенная псевдоинтерферограмма.

Рис. 2. Экспериментальная спекл-интерферограмма с участком наложенной откорректированной псевдоинтерферограммой

Программное обеспечение, разработанного оптоэлектронного спекл-интерферометра, позволяет «отрихтовать» сплайн так, чтобы срединные линии псевдоинтерферограммы проходили посредине полос исходной интерферограммы, как показано на рисунке. В программном обеспечении предусмотрено по «отрихтованным» интерферограммам построение топограмм смещений – семейство линий равной величины смещений (изотоп), а также по топограммам однозначно определяется величина линейного смещения точек объекта. Такое решение позволяет ускорить процесс обработки спекл-интерферограмм и повысит точность определения полей перемещений.

Разработанный оптоэлектронный помехоустойчивый спекл-интерферометр позволяет производить исследование полей перемещений, как при статических, так и при динамических испытаниях различных элементов конструкций в условиях наличия внешних шумов. Однако наличие собственных шумов – спекл структур, ограничивает диапазон измерения частотных характеристик колебаний исследуемых конструкций, как по амплитуде, так и по частоте. Для решения данной проблемы в конструкцию оптоэлектронного спекл-интерферометра введен дополнительно быстродействующий точечный фотодетектор. Оптическая схема оптоэлектронного спекл-интерферометра представлена на рис. 3.

Рис. 3. Оптическая схема оптоэлектронного спекл-интерферометра

В данной схеме лазерное излучение с помощью делителя BS1 расщепляется на два луча, один из которых (предметный) с помощью оптической системы L1 освещает исследуемый объект. Отраженное излучение от объекта с помощью оптической системы L2 (объектив видеокамеры) формирует изображение исследуемой поверхности в плоскости ПЗС-матрицы видеокамеры ( Cam ) и в плоскости быстродействующего фотодетектора PD . Второй луч (опорный), проходя через диффузор D и делитель BS2, накладывается на предметный пучок, образуя вторичную интерференционную картину в плоскости ПЗС-матрицы видеокамеры ( Cam ) и в плоскости быстродействующего фотодетектора PD . Как результат, в данной оптической схеме одновременно регистрируется – быстродействующим фотодетектором PD изменение интенсивности одиночного спекла, а видеокамерой регистрируется спекл интерферограммы, определяющие формы колебаний. Размеры рабочей поверхности быстродействующего точечного фотодетектора PD должны быть согласованы с размерами объективной спекл структуры и периодом вторичных интерференционных полос образованных в плоскости фотодетектора. Данные условия выполняются подбором параметров оптической схемы – диафрагма, фокусное расстояние, наклон опорного пучка относительно предметного пучка [7].

На рис. 4 представлены спекл-интерферо-граммы колебаний тонкой металлической мембраны с жёсткой обечайкой, возбужденных на

Рис. 4. Спекл-интерферограммы собственных частот колебаний металлической мембраны

собственных частотах, которые зарегистрированы разработанным спекл-интерферометром.

Поведение выходного напряжения с фотодетектора имеет сложный характер. Как показано в работах [7-10], при перемещениях исследуемой поверхности на величину меньше λ /8 выходное напряжение фотодетектора полностью соответствует данному перемещению. При перемещениях больше λ /8, вид выходного напряжения фотодетектора имеет сложный характер и представляет набор осциллирующих пакетов. При исследовании собственных колебаний, вид осциллирующих пакетов выходного напряжения фотодетектора имеет периодический характер. Характерный вид осциллограммы выходного напряжения фотодетектора для резонансных колебаний исследуемой поверхности с амплитудой больше λ /8, на представлен на рис. 5.

Рис. 5. Осциллограмма выходного напряжения быстродействующего фотодиода при колебании исследуемой поверхности с амплитудой больше λ /8.

Количество осцилляций внутри пакета пропорционально удвоенной амплитуде собственных колебаний. Для данной оптической схемы одно полное колебание внутри пакета соответствует перемещению исследуемой точки поверх- ности на величину равную λ/2. Таким образом, амплитуда колебаний поверхности составляет порядка 7λ/4. Верхняя граница измерения амплитуды колебаний определяется быстродействием фотодетектора и разрядностью регистрирующего модуля и может составлять нескольких миллиметров, что существенным образом расширяет диапазон измеряемых перемещений.

Период следования осциллирующих пакетов соответствует удвоенной частоте собственных колебаний исследуемой точки поверхности.

Таким образом, представленный автоматизированный оптоэлектронный спекл-интерферометр позволяет регистрировать бесконтактным способом основные частотные характеристики собственных колебаний в широком диапазоне с использованием предлагаемого метода цифровой спекл-интерферометрии.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке грантов РФФИ № 15-08-06330-а и № 13-01-97009-а.