Лазерно-компьютерная система получения и анализа спекл-интерферограмм вибрирующих объектов

Самарский научно-инженерный центр автоматизированных прочностных испытаний и диагностики машин

Описана конструкция электронного корреляционного спекл-интерферометра, в котором высококонтрастная интерференционная картина вибрирующего на резонансной частоте объекта образуется непосредственно в памяти компьютера.

В процессе доводки высоконагружен-ных энергетических машин по прочности и надежности особое место занимает определение собственных частот и форм колебаний элементов конструкций. Исследования полей вибросмещений, деформаций и напряжений, развития усталости тесно связаны со знанием форм колебаний, поскольку они проводятся при колебаниях на резонансных частотах [1].

Одним из основных экспериментальных методов определения собственных частот и форм колебаний натурных объектов является голографическая интерферометрия [2]. Однако, голографический процесс требует высокоразрешающих регистрирующих материалов, таких как фотоэмульсии или фототермопластики, достаточно продолжителен во времени (фотообработка эмульсии) и трудоемок в настройке. Методы электронной спекл-ин-терферометрии (ESPI), развитые в последнее время, позволяют наблюдать интерференционную картину колеблющегося объекта непосредственно на экране телемонитора, минуя какой-либо промежуточный носитель [3]. Но качество (отношение сигнал/шум, контраст) электронных спекл-интерферограмм значительно уступает картинам, регистрируемым голографическими методами. Извлечь количественную информацию о распределении амплитуд колебаний из таких спекл-ин-терферограммы весьма сложно.

С цель использования преимуществ электронной спекл-интерферометрии и достижения качества интерференционных кар тин не уступающего голографическому, разработана лазерно-компьютерная система исследования вибрирующих на резонансных частотах объектов. Основу системы составляет электронный корреляционный спекл-интерферометр, интерференционная картина в котором образуется непосредственно в памяти компьютера, связанного с телевизионной камерой, установленной в выходном плече интерферометра.

На рис.1 показана оптическая схема электронного корреляционного спекл-интерферометра с компьютерной регистрацией интерферограмм, предназначенного для исследования собственных частот и форм колебаний деталей и узлов изделий.

Излучение гелий-неонового лазера непрерывного действия делится на два пучка: опорный и объектный. Объектный пучок расширяется и освещает исследуемый объект. Рассеянное объектом излучение телевизионной камерой высокого разрешения вводится в персональный компьютер. На экране видеомонитора наблюдается сфокусированное изображение исследуемого объекта. Объектив телевизионной камеры диафрагмируется до величины, позволяющей на экране четко различать отдельные спеклы. Диафрагмирование до величины F = 18...22 относительного отверстия объектива позволяет получить во входной плоскости видикона приемлемые размеры спеклов ( ~ 15 мкм), которые разрешались телевизионной камерой «BOSCH T YK 9A». Система ввода обеспечивает линейный ввод 512х512 точек изображения с раз-

Рис. 1. Оптическая схема электронного корреляционного спекл-интерферометра: 1 - лазер; 2 - светоделитель; 3, 9, 10 - линза; 4 - телекамера; 5 - диафрагма объектива

биением по яркости на 256 градаций.

Опорный пучок с помощью зеркала и оптического клина, установленного перед объективом телекамеры, также направляется на видикон телекамеры. Система из двух линз установлена в опорном пучке таким образом, чтобы он фокусировался на оси объектива телекамеры в плоскости диафрагмы и полностью освещал рабочую поверхность видикона. Зеркало в опорном плече интерферометра размещено на пьезокерамической пластине. С помощью пьезокерамической пластины, изменяя напряжение питания, которое на нее подается, можно управлять фазой опорного пучка на экране видикона в пределах 360 ° . Таким образом на экране монитора наблюдается спекл-изображение исследуемого объекта, сложенное с однородным фоном, образованным опорным пучком. Изменяя фазу опорного пучка, можно управлять фазой спеклов на изображении.

Если объект вибрирует на резонансной частоте, то результирующая, усредненная по времени ввода кадра ( ~ 40 мкс), яркость наблюдаемого на экране изображения описывается, как это можно получить из [3] выражением

B(x,y) = K{r.(x,y)> + s.(x,y)> + + 2(r.(x,y)>s.(x,y)>)^1/2 J₀² [4 n A(x,y)/ X ] x x ^cos^{[ 0} r ^(x,y^{)- 0} _s^(x,y^{)]},         (1)}

где K- постоянный коэффициент, зависящий от параметров телекамеры и системы ввода изображения в компьютер, _r> и _s> - усредненные интенсивности опорного и предметного пучков в точке изображения объекта с экранными координатами (x,y), J₀-функция Бесселя первого рода нулевого порядка, A - амплитуда колебания точки объекта, X - длина волны излучения лазера, 0_r, 0_s-фазы опорного пучка и спекла в плоскости видикона соответственно.

Интенсивность спеклов в наблюдаемом изображении изменяется с изменением функции J ₀ . в зависимости от амплитуды колебания. Но контраст их настолько низок, что заметны спеклы будут только в областях изображения близких к узловым линиям, где функция J ₀ . близка к единице. Если с небольшой частотой (3...6 Гц) изменять фазу спеклов, управляя фазой опорного пучка с помощью перемещения зеркала, закрепленного на пьезокерамике, можно наблюдать мерцание спеклов в области узловых линий. Это дает достаточно простой метод настройки вибрирующего объекта на резонанс и оценки уровня его возбуждения. При сканировании частоты возбуждения спеклы, видимые по всей поверхности объекта, в момент достижения резонанса размываются, оставаясь заметными только в области узлов.

Рис. 2. Интерферограмма вибрирующей на резонансной частоте лопатки турбины.

Для получения высококонтрастной интерференционной картины изображение (1) заносится в память компьютера. Фаза опорного пучка сдвигается на 180 ° . На экране монитора при этом наблюдается интерференционная картина аналогичная первой, но на месте «светлых» спеклов размещаются «темные» и наоборот. Далее второе изображение по модулю вычитается из первого, хранящегося в памяти. В результате на экране монитора наблюдается изображение контрастной интерференционной картины:

B(x,y) = K{4(r.(x,y)>)^1/2 J₀² x

x [4 n A(x,y)/ X ] | cos[ 0 _r(x,y)- 0 _s(x,y)]|} (2)

Интерференционные полосы, описываемые выражением (2), аналогичны восстанавливаемым из голографических интерфе рограмм, записанных методом усреднения во времени, за исключением того, что они образованы спеклами.

На рис.2 приведена одна из интерферограмм вибрирующей на резонанасной частоте лопатки турбины, полученная на электронном корреляционном спекл-интерферометре. На интерферограмме видны четкие интерференционные полосы, которые различаются даже в пучностях формы колебаний.

Используя стандартную процедуру обработки интерферограмм [4] можно из интерференционной картины, подобной приведенной на рис.2, извлечь данные об амплитуде колебания каждой из точек изображения. При этом весь процесс получения информации существенно упрощается, так как интерферограмма образуется и хранится непосредственно в памяти компьютера и не требуется осуществлять дополнительно восстановление и ввод изображения.