Высокочувствительная голографическая интерферометрия при исследовании деформаций ответственных конструкций тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

-5 ОД

* 3 М4Я 121-5

На правах рукописи

БОРЫНЯК Леонид Александрович

ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНАЯ ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ДЕФОРМАЦИЙ ОТВЕТСТВЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

01.04.05 - Оптика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Новосибирск - 1996

- г -

Работа выполнена в Новосибирском государственном педагогическом университете

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор технических наук.

Семенов Георгий Борисович

доктор физико-математических наук, Малиновский Валерий Константинович

доктор технических наук, Чугуй Юрий Васильевич

Ведущая организация: Сибирский научно-исследовательский институт оптических систем г. Новосибирск

Защита состоится ".-.--М-^^ 1996 г. в часов на заседании диссертационного совета Д.003. 06.01 в Институте автоматики и электрометрии СО РАН (630090, г. Новосибирск-90, Университетский проспект 1).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИАиЭ СО РАН

Автореферат разослан •£44..?.^. 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к. ф.-м.н.

А.П.Кольченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1. Актуальность работы. Современное проектирование прочности, ресурса и работоспособности любой конструкции основывается, в первую очередь, на теоретическом и экспериментальном анализе ее напряженно-деформированного состояния (НДС), где напряженное состояние обусловлено силовым взаимодействием между точками твердого тела, а деформированное -взаимным перемещением этих точек в условиях механического нагружения.

Особую важность такой анализ приобретает в условиях производства современных ответственных конструкций (например, в атомной промышленности, самолето- и судостроении, ракетной технике), где каждое изделие проходит полный контроль по указанным параметрам.

В экспериментальной механике отсутствуют физические методы прямого измерения напряжений внутри тела. В то же время перемещение точек деформируемых тел измеряется как прямыми, так и косвенными методами. Известные соотношения механики твердого тела связывают их с деформациями и напряжениями, поэтому измерение кинематических параметров является определяющим при исследовании НДС конструкций.

В настоящее время в этой области для измерения перемещений интенсивно разрабатываются методы классической и го-лографической интерферометрии, спекл-интерферометрии и спекл-фстографии, фотоупругости, муара, проекции полос, а также различные комбинации традиционных оптических методов с голографическим способом регистрации и восстановления информации.

Однако, на момент определения направления диссертационных исследований из обзорных и оригинальных работ следовало, что их широкому использованию в практических измерениях препятствовал ряд объективных причин, которые в некоторой степени условно, можно разделить на несколько проблемных блоков.

Первый связан с расшифровкой интерферограмм. Основные усилия отечественных и зарубежных ученых здесь были сосредо-

точены на задаче восстановления полной пространственной разности фаз интерферирующих волн и разработке алгоритмов перехода от распределения фазы к перемещениям. При этом ряд вопросов оставался нерешенным:

- не всегда удавалось определить порядок интерференционной полосы ( в том числе и дробный), ее пространственную координату и знак;

редко достигалась требуемая точность перехода от экспериментальных значений функции порядка интерференционных полос, определенных в характерных точках интерферограммы, к аналитической зависимости ее значений вдоль выбранных направлений, что не позволяло решить основную задачу интерферометрии - восстановление полной пространственной фазы, особенно в зонах с большим градиентом перемещений;

- в полной мере не были разработаны теоретические и практические основы алгоритмов перехода от пространственной разности фаз к измеряемым перемещениям.

Второй блок связан с метрологическим обеспечением оптических методов. Наиболее важной проблемой здесь является чувствительность оптических преобразователей, так как для исследования малых деформаций необходимо использовать высокочувствительные методы измерения отдельных компонент вектора перемещения. Самый чувствительный из известных оптических методов - голографическая интерферометрия, не обеспечивала требуемой величины пороговой чувствительности. Были также недостаточно исследованы предельные метрологические характеристики интерферометров, способы повышения точности измерения перемещений и подходы к расширению диапазона определяемых величин.

Последний блок связан с ресением технических задач. Наиболее существенные из них:

- проблемы выделения малых деформационных перемещений на фоне больших перемещений объекта как жесткого тела;

- влияние вибраций на элементы экспериментальных установок;

- проблемы фрагментарной стыковки информации, отображенной с криволинейной поверхности на плоский носитель с разных ракурсов наблюдения.

По этим причинам оптические методы применялись, в основном, в лабораторных исследованиях для решения ограниченного круга задач. Они не могли конкурировать, например, с методом тензометрии и их эффективное использование преобладало в качественном контроле, нежели количественных измерениях. Следовательно, прогресс в развитии этих методов связан с разработкой более совершенных способов управления и обработки информации, созданием интерферометров с необходимым метрологическим обеспечением и техническими решениями, направленными на расширение области их применения.

Данные проблемы исследованы в представленной работе, в которой также обобщены результаты прикладных НИР. выполненных в период с 1974 по 1990 гг. под научным руководством и при личном участии автора в области разработки высокочувствительных голографических методов исследования деформированного состояния объектов.

2. Связь с государственными программами и НИР. Работы по теме диссертации выполнялись в соответствии с техническими заданиями ЦАГИ (NN гос. per. 76025872, 79020380, 02828020401), СибНИИА г.Новосибирск (79020331, 010880024876, 01890036609), КБ Машиностроения г.Миасс (01840010377).

3. Цель работы заключалась в поиске методов увеличения чувствительности голографической интерферометрии для измерения перемещений деформируемой поверхности; исследовании процессов формирования и расшифровки интерферограмм, зарегистрированных в диффузном свете по схеме Ю.Н.Денисюка; разработке теоретических и практических основ построения новых оптических преобразователей с улучшенными метрологическими характеристиками для реализации высокочувствительной голографической интерферометрии; создании и апробации экспериментальных образцов интерферометров для количественного исследования деформаций ответственных конструкций в условиях современного производства.

4. Методы исследований. В работе использованы методы функционального и спектрального анализа, волновой оптики, а также моделирование, физический эксперимент. Решение задачи регистрации и выделения информации о перемещениях осуществлялось в рамках скалярной теории дифракции с нспользо-

ванием известных соотношений физической оптики.

5. Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней впервые:

5.1. Предложены и исследованы новые методы модуляционной фазометр™ статических интерферограмм. основанные на импульсной временной и нелинейной пространственной модуляции определяемой фазы, позволяющие повысить точность ее восстановления. Дана оценка области их применения на примере восстановления полной фазы для принятых моделей интерферограмм.

5.2. Разработаны высокочувствительные контактные голог-рафические способы формирования и регистрации интерферограмм в диффузном свете, радикально отличающиеся от известных бесконтактных тем, что с их помощью устранены принципиальные ограничения методов по предельным метрологическим характеристикам.

5.3. Разработаны количественные методы высокочувствительной панорамной голографической и спекл-интерферометрии, позволяющие вычислить по одной голограмме любые компоненты вектора перемещений точек цилиндрической поверхности с требуемой для практики точностью несколькими независимыми способами.

5.4. Предложен оригинальный метод разделения объективных спекл-структур, связанных с разным уровнем деформированного состояния микроструктуры поверхности объекта, посредством введения неизменной пространственной несущей на каждой стадии регистрации контактной голограммы и позволяющий расширить диапазон исследуемых внутриплоскостных деформаций, а также повысить точность их измерения.

5.5. Экспериментально исследовано в производственных условиях деформированное состояние широкого круга ответственных конструкций (твэлсв, элементов летательных аппаратов, гибридных Интегральных схем), для которых подобный анализ аналитическими, расчетными и традиционными экспериментальными средствами был не эффективен по точности и производительности, а иногда и просто не представлялся возможным.

6. Достоверность результатов подтверждалась сравнением тестовых исследований с теоретическим решением соответствующих плоских и пространственных задач теории упругости, а

также решением одних и тех же задач разными экспериментальными методами, в том числе и прошедшими стандартизацию по метрологическим характеристикам.

7. Практическая значимость и реализация результатов работы.

7.1. Разработаны основы создания высокочувствительных оптических преобразователей с голографическим способом регистрации информации, принципы построения и конструктивные решения которых устраняют проблемы расшифровки интерферог-рамм, обеспечивают высокие метрологические характеристики при количественном исследовании деформированного состояния ответственных конструкций в условиях современного производства.

7.2. На основе полученных результатов предложена и внедрена в ЦАГИ и КБ Машиностроения (г. Миасс) методика статических и динамических испытаний ответственных элементов авиационных и ракетных конструкций с использованием разработанных накладных интерферометров.

7.3. Изготовлены и переданы заказчику экспериментальные образцы широкого спектра панорамных интерферометров и внедрена методика измерения деформаций для исследования твэлов на Новосибирском заводе Химконцентратов, оружейных стволов из композиционных материалов на Климовском производственном объединении и ответственных элементов сварных трубопроводов в Сибирском научно-исследовательском институте авиации (г. Новосибирск). Три типа интерферометров защищены авторскими свидетельствами.

8. На защиту выносятся теоретические и практические ос-ноеы комплекса методов и средств высокочувствительной голог-рафической интерферометрии, разработанные для исследования деформаций ответственных конструкций, включая:

8.1. Оригинальные контактные способы регистрации интер-ферограмм в диффузном свете на голограммах Ю. Н.Денисюка, устраняющие принципиальные ограничения в применении оптических методов по метрологическим и техническим проблемам для измерения деформаций объектов.

8.2. Высокочувствительные количественные методы панорамной голографической и спекл-интерферометрии на основе

элементов конических зеркал, позволяющие определять с одной голограммы любые компоненты вектора перемещения для всех точек деформируемой поверхности объектов осесимметричной формы с требуемой для практики точностью одновременно несколькими независимыми методами.

8.3. Результаты исследований методов модуляционной фа-зометрии предложенных для восстановления полной фазы статических интерферограмм на основе анализа модуляции фазы принятых моделей интерферограмм известной импульсной временной или нелинейной пространственной ступенчатой функцией.

8.4. Новый способ разделения объективных спекл-струк-тур. связанных с разным уровнем деформированного состояния микроструктуры поверхности объекта, посредством введения неизменной пространственной несущей на каждой стадии регистрации контактной голограммы.

8.5. Принципы построения нетрадиционных оптических преобразователей, реализующих разработанные методы высокочувствительной голографической интерферометрии, для которых устранены проблемы расшифровки интерферограмм и обеспечены требуемые практикой предельные метрологические характеристики.

8.6. Результаты исследования характеристик созданных экспериментальных образцов интерферометров и примеры количественного исследования деформированного состояния ответственных конструкций в условиях современного производства.

9. Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались:

на Международных конференциях: "Лазеры 90" (Пловдив

1990), "Сварные конструкции" (Киев 1990), КиНО 91 (Ленинград

1991); "Фотомеханика 95" (Новосибирск 1995);

на Всесоюзном симпозиуме "Оптическое приборостроение и голография" (Львов 1976);

на Всесоюзных конференциях: "Использование лазеров в современной науке и технике" (Ленинград 1980), "Оптические и радиоволновые методы и средства неразрушающего контроля качества материалов изделий" (Фергана 1981), "Голография 82" (Ереван 1982). "Экспериментальные методы исследования деформаций и напряжений" (Киев 1983), "Применение методов лазерной интерферометрии для повышения качества изделий" (Миасс

1984), "Экспериментальные исследования инженерных сооружений" (Новополоцк 1986)."Оптические методы исследования потоков" (Новосибирск 1993);

и на 10 Всесоюзных семинарах по оптической интерферометрии (1975-1990 гг.)

На Всесоюзной школе по голографии (Ленинград 1979).

10. Публикации. По материалам диссертационной работы соискателем лично и в соавторстве опубликовано 42 статьи, получено три авторских свидетельства. Результаты исследований и разработок изложены также в 12 отчетах по НИР.

11. Личный вклад. Постановка задач, способы их решения и основные научные результаты принадлежат лично автору. Проведенные экспериментальные исследования, разработка аппаратных средств и алгоритмов обработки информации выполнены сотрудниками НИЛ прочности НИИЖТа и НИЛ оптики НГПУ при участии и под руководством автора.

12. Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, пять глав, заключение, список литературы из 126 наименований. Объем диссертации 324 стр., илл. 133, табл.2.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Основы когерентно-оптических методов измерения перемещений точек поверхности деформируемых тел

В основу принципа измерения положен голографический способ регистрации и восстановления волновых фронтов, отраженных от деформированной и недеформированной поверхности. Результатом сравнения являются интерференционные полосы, в которых в неявном виде закодирована информация о пространственно-временных распределениях физических параметров. Приведено краткое описание ключевых моментов получения и расшифровки интерферограмм.

Формирование интерферограмм. В рамках двухлучевой интерференции рассмотрен процесс формирования интерференционных полос. Приведены выражения, описывающие распределение результирующей интенсивности в плоскости регистрации для

комплексных и действительных амплитуд световых полей. Показано, что основным сигналом, сильно меняющим значение интенсивности. является фазовое распределение 0(х.у).

Методы восстановления Фазы статических интерферограмм. Это наиболее трудная задача интерференционных измерений. Существующие методы определения фазы условно разделены на три группы: методы выделения координат полос (ВКП). методы фазо-метрии (ФМ) и методы пространственной частотометрии (ПЧМ). Показано, что обработка интерферограмм по методам ВКП сводится к измерению координат характерных точек, заданию соответствующих им порядковых номеров полос и интерполяции или аппроксимации функции порядков полос по всему полю. В методах фазометрии рассмотрены случаи прямого обращения функции, содержащей фазу Ф(х,у), а также методы модуляционной фазометрии [38].

Исходя из насущных задач голографической интерферометрии предложены и исследованы новые методы модуляционной фазометрии статических интерферограмм. основанные на импульсной временной и нелинейной пространственной модуляции определяемой фазы посредством известной ступенчатой функции вида

з1п£К/|з!п£Н|, з1пйх/|з1пйх|

(где П - параметр модуляции) [38]. Отличительная особенность рассмотренных методов заключена в том, что по измеренной плотности промодулированного таким образом негатива интерфе-рограммы, с помощью разработанных алгоритмов, удается исключить фоновую составляющую, мультипликативные шумы и восстановить полную пространственную фазу интерферирующих волн Ф(х,у) для выбранной модели интерферограммы.

Рассмотрен алгоритм реализации метода пространственной частотометрии. Этот метод дает возможность без определения фазы вычислить, в соответствии с установленными процедурами, локальные значения частоты полос для интерферограмм с пространственной несущей, т.е. исключить операцию дефференцирова-ния экспериментальных данных и практически перейти к исследованию поля деформаций. В результате, уменьшается погреш-

- и -

ность измерения деформаций [38].

Описаны варианты воздействия на спектральный состав сигнала с последующим восстановлением фазы с использованием преобразования Фурье и теоремы Котельникова [38]. Получено модельное представление функции, описывающей распределение интенсивности света вдоль выбранного сечения интерферограммы в виде ряда Фурье с коэффициентами, являющимися выборками Фурье образа в спектральном пространстве. Область выборки задается по желанию и может быть определена на любом участке интерферограммы. Для конечного числа выборок данный ряд представляется выражением, включающим в себя фон, амплитуду и фазу модельной интерферограммы, что решает проблему восстановления фазы для выбранного локального участка исходной интерферограммы.

Расшифровка интерферограмм. В предположении идеальности голографического процесса рассмотрены алгоритмы определения перемещения точек деформируемой поверхности по экспериментальным данным, полученным из интерферограммы и схемы интерферометра. Отличие результатов от ранее известных состоит в том, что информация о всех трех компонентах вектора перемещения каждой точки деформируемой поверхности регистрируется только с одной голограммы Ю.Н.Денисюка, закрепленной на исследуемой конструкции.

Измерение локальных деформаций. В тех случаях, когда необходимо исследовать деформации объекта в локальных зонах, предложено использовать оптический метод измерения с микронной точностью изменения линейного размера специально нанесенных на поверхность конструкции плоских датчиков перемещения в виде щелей или отверстий [32,34]. Метод измерения основан на регистрации поля световых волн в зоне Френеля для лазерного пучка дифрагированного на датчике. Высокая чувствительность метода, на уровне долей микрона, достигается тем, что микронным изменениям характерных размеров датчика, соответствуют миллиметровые смещения первого нуля или первого максимума интенсивности вдоль направления распространения дифрагированного излучения. Получены выражения, связывающие эти смещения с изменением ширины цели или диаметра пятна датчика. Экспериментально подтверждены результаты теорети-

ческих исследований.

Таким образом, ряд физически оправданных упрощений в модели интерферограммы позволил установить однозначную связь между перемещениями точек деформируемой поверхности и фазой интерференционных полос. В то же время анализ показал, что пути преодоления принципиальных ограничений оптических методов в исследовании деформаций следует искать в разработке нетрадиционных подходов к регистрации и обработке информации.

Глава 2. Контактные высокочувствительные голограФические

методы исследования смещений и деформаций плоских участков диффузных объектов.

Предварительные аналитические и экспериментальные исследования классических бесконтактных методов голографической интерферометрии и их компиляции с традиционными оптическими для измерения перемещений деформируемой поверхности показали, что наряду с широкими их возможностями, существует ряд ограничений, которые снижают эффективность использования интерференционных измерений в механике твердого тела [1,2,4,6].

С целью устранения принципиальных ограничивающих факторов и улучшения метрологических характеристик методов голографической интерферометрии автором предложен предельный переход от классических бесконтактных схем голографического способа регистрации информации к нетрадиционным контактным. При этом регистрирующая среда наносится непосредственно на поверхность объекта, либо прикрепляется к ней посредством промежуточной оптической среды (ПОС) [7, 10, 13].

В данной главе представлены результаты исследования контактных спосо.бов регистрации информации для реализации голографической интерферометрии и ее объединения с другими оптическими методами при измерении перемещений деформируемой поверхности.

Метод высокочувствительной голографической интерферометрии.

Для стабилизации положения голограммы относительно поверхности объекта и создания накладных интерферометров авто-

ром предложено в качестве ПОС использовать низкомодульные, оптически прозрачные, резиноподобные среды [10]. Были проведены исследования оптических и механических характеристик этих сред при статических и циклических нагрузках. Установлено, что эти среды остаются изотропными при требуемых уровнях силовых воздействий и не изменяют при этом своих физических параметров. Такие среды исключили влияние вибраций на элементы интерферометров, что подтверждено теоретическими и экспериментальными исследованиями для широкого спектра значений амплитуд и частот действующих помех. Показано, что закрепление фотопластинки исключает фазовый набег из-за перемещений объекта как твердого тела относительно голограммы и делает его ничтожно малым при перемещении голограммы относительно лазерного источника света. Следовательно, на интер-ферограммах регистрируются только деформационные перемещения. что повышает точность их измерения. Уменьшен вклад в фазовый набег перемещений нормальных к поверхности объекта, увеличена чувствительность интерферометра к внутриплосхост-ным перемещениям [25,26].

Расшифровка голограФических интерФерограмм. Исследованию подлежали алгоритмы расшифровки интерферограмм, зарегистрированных в диффузном свете по схеме Ю. Н.Денисюка и технические характеристики оптических преобразователей, разработанных для количественных измерений перемещений с таким способом регистрации голограмм.

Если в качестве ПОС выбрать воздушный зазор, то классическое уравнение, связывающее порядок интерференционной полосы с компонентами вектора перемещения и геометрическими параметрами интерферометра, преобразуется к виду

1Ла +Ут3 (п3 +1) =413X (3=1. 2. 3). (1)

где и, V, V - компоненты вектора перемещений Дг; 13=соза3, т3=соз|53; п^соб^; й - направление наблюдения;

порядок интерференционной полосы; X - длина волны используемого света.

Чтобы исключить полностью влияние числа обусловленности системы разрешающих уравнений вида (1) на точность результа-

тов измерения перемещений, автором был предложен методический прием, позволяющий снизить порядок системы разрешающих уравнений и перейти к уравнениям с одним неизвестным, что, естественно, сказалось на точности получаемых результатов. Суть подхода заключена в том, что с целью независимого определения компонент трехмерного вектора перемещения освещение объекта производят вдоль нормали к его поверхности, а регистрацию интерференционных полос осуществляют с четырех попарно симметричных относительно нормали направлений [7, 13]. По картинам интерференционных полос, снятым по первым двум направлениям, определяют компоненты U и Vi:

U=(N1+N2)-X/211; W=(N1-K2)X./2(l+n1). (2)

Аналогично две другие картины полос позволяют найти

V=(N3+N4)-X/2m3; W=(N3-N4 ) • X/2(l+n3). (3)

Таким образом, устранена наиболее важная причина, ограничивающая метрологические характеристики голографических методов, которая связана с плохой обусловленностью системы разрешающих уравнений.Как следует из выражений (2-3). точность результатов теперь зависит только от инструментальной погрешности измерения углов наблюдения и порядка интерференционных полос.

Когда между фотопластинкой и поверхностью объекта введена ПОС, то внутриплоскостные компоненты вычисляются с использованием выражений (2, 3), а нормальные перемещения определяются уравнением

rNi-Kg i 1 ( п3 Г1

W=|-----X-t3 (n3-n'3) 11+-----||-|------tgfo ■ cosa+п'з (4)

L 2 l cosVJ VcosK3 >

где n3, t3 - соответственно показатель преломления и толщина ПОС до деформирования поверхности, п'3 - показатель преломления ПОС после деформирования среды, - угол, отсчитываемый от нормали поверхности в оптической среде, а - угол, отсчитываемый от плоскости, совпадающей с поверхностью объ-

екта.

Проведена экспериментальная проверка разработанной методики для определения деформаций еу на поверхности пластины с круглым отверстием, испытуемой на центральное растяжение. Данная форма выбрана потому, что она утверждена ГОСТом в качестве стандартного объекта экспериментальных исследований для получения базовых данных, которые определяют полуэмпери-ческий подход к расчету сложных ответственных конструкций. Для пластины из изотропного материала имеется аналитическое решение, из которого вычисляются соответствующие перемещения и деформации. Проведенное автором сопоставление показало, что расчетные и экспериментальные результаты исследования деформаций согласуются между собой. Погрешность измерения не превышает 55?, что удовлетворяет требованиям инженерных расчетов [И - 13].

Далее изложены оригинальные результаты разработки оптических преобразователей для практической реализации самого метода голографической интерферометрии и его совместного использования с традиционными оптическими. Исследованию подлежали схемные решения, технические характеристики, алгоритмы расшифровки интерферограмм, метрологическое обеспечение, достоверность результатов.

Метод измерения суммы главных деформаций. С целью расширения возможностей накладного голографического интерферометра, автором предложен новый способ регистрации информации о сумме главных деформаций на плоской поверхности объекта [13]. Б рассматриваемом случае жесткость эмульсии и ее толщина много меньше жесткости и толщины ПОС, жесткость которой в свою очередь, намного меньше жесткости исследуемого изделия. Если толщина этой среды постоянна в пределах исследуемого участка поверхности, то картина интерференционных полос, восстановленная интерферограммой, несет информацию о сумме продольных деформаций поверхности объекта. Разработан алгоритм расшифровки интерферограмм, из которого следует, что

(£Х+£У)=((1-М)/М1 )■ ая/гп^),

(5)

где ¡1. ^ - коэффициенты Пуассона материала конструкции и покрытия, п и ^ - показатель преломления и толщина ПОС, X -длина волны используемого света, К - порядок полосы. Порядок интерференционной полосы в исследуемой точке вычисляется пересчетом его значения от удаленной граничной области, где он определяется выражением

ы=бср • ц-^гт^/ЕШ-М!). (6)

здесь бср - значение напряжений в удаленной области. Е - модуль Юнга материала изделия.

Достоверность результатов подтверждена экспериментальным исследованием деформированного состояния стандартного образца - пластины с круглым отверстием, испытуемой на центральное растяжение. Погрешность измерения не превышала 5%. Отмечается, что техника эксперимента по своей сложности и трудоемкости приближена к фотографической.

Метод муаровых полос. Исследован один из вариантов объединения метода муаровых полос с методом голографической интерферометрии для измерения только внутриплоскостных деформаций [3.4]. Суть метода сводится к следующему. Два или более коллимированных пучка лазерного света направляются под углом ф друг к другу. В зоне их пересечения при сохранении когерентности и неподвижности элементов схемы эксперимента регистрируется стационарное интерференционное поле, частота интерференционной структуры которого в направлении оси у определяется выражением

ч^вт?! - з1пу2)/х. (7)

Автором предложено использовать стационарное интерференционное поле не только для получения растров, но и в качестве контрольного растра. В этом случае зазор между контрольным и рабочим растрами равен нулю, что снимает ограничения по применению высокочастотных растров, существующие при работе с ними по обычной методике, т. е. повышается чувствительность метода.

Для реализации муарового эффекта высокоразрешающая

эмульсия наносится на поверхность объекта. Объект помещается в нагрузочное устройство, и в ненагрукенном состоянии эмульсия экспонируется в стационарном интерференционном поле. После фотообработки образец нагружается. Возникает картина муаровых полос из-за рассогласования частоты растра, нанесенного на поверхность объекта.и частоты растра стационарного поля. Средние деформации поверхности образца, перпендикулярные линиям растра, определяются выражением

Ei =1/% Г±. (8)

где Ej - деформация; % - частота растра; ft - шаг муаровых полос вдоль 1-го направления.

Предлагаемая схема эксперимента позволяет успешно применять дифференциальные методы, широко используемые в традиционной муаровой технике. Изменяя угол схождения интерферирующих пучков на стадии наблюдения интерферограмм, добавляют фиктивные муаровые полосы того или иного знака, что позволяет повысить точность определения деформаций.

Приведен тестовый пример исследования деформированного состояния стандартного объекта - плоского образца с отверстием, испытуемого на центральное растяжение. Для реализации дифференциального муара использовано рассогласование частоты стационарного интерференционного поля, сформированного двумя коллимированными пучками лазерного света, сходящихся под углом друг к другу [3, 4].

Контактная спекл-интерферометрия. Предложен новый способ разделения объективных спекл-структур, связанных с разным уровнем деформированного состояния микроструктуры поверхности объекта, посредством введения неизменной пространственной несущей на каждой стадии регистрации контактной голограммы [20, 21]. Расшифровка интерферограмм осуществляется методом поточечного сканирования

|Дг|=XLN/Ma. (9)

где |Дг i - модуль вектора перемещения; L - расстояние между голограммой и экраном; М - масштаб; а - расстояние между

центрами полос с нулевым и Л-м порядком и методом оптической фильтрации

|Дг|=Шс1, (10)

где Т - фокусное расстояние фильтрующей линзы; б - расстояние между центром апертурной диафрагмы и оптической осью системы.

Экпериментально исследовано деформированное состояние стандартного образца - пластины с круглым отверстием, испытуемой на центральное растяжение. Расчетные и экспериментальные результаты согласуются между собой. Погрешность измерения не превышает 5%. Такой способ регистрации спеклов устранил влияние вращения объекта на контраст интерференционных полос, что расширило возможности самого метода и повысило точность измерения.

Интерферометр с адаптивной базой. Разработана методика формирования двух когерентных пучков света, един из которых диффузный, с регистрацией их на однократно экспонированной голограмме Ю.Н.Денисюка и предложен способ внесения управляемого фазового сдвига между восстанавливаемыми волновыми фронтами посредством изменения направления освещения этой голограммы [40. 42]. Сформирован оптический преобразователь изменения радиуса кривизны адаптированной базы датчика в наблюдаемую картину интерференционных полос. По предложенным алгоритмам расшифровки интерферограмм цилиндрических оболочек выполнено численное моделирование интерференционных полос для заданных радиусов кривизны. Сопоставление экспериментальных и расчетных значений параметров интерферограмм демонстрирует их хорошее совпадение. Расхождение координат полос не превышает 5%.

Наиболее важным достоинством разработанных преобразователей является их безинерционность. отсутствие подкрепляющего эффекта, возможность наблюдения интерферограмм в режиме "реального времени".

Таким образом, результаты разработки контактных методов высокочувствительной голографической интерферометрии для исследования деформаций в полной мере компенсируют их основной недостаток, связанный с отступлением от традиционного

бесконтактного способа регистрации информации. Устранены принципиальные проблемы, ограничивающие область применения голографических методов в практических исследованиях по блоку технических и метрологических проблем, существенно упрощены алгоритмы расшифровки интерферограмм. достигнута приемлемая для инженерных расчетов точность измерения перемещений и деформаций.

Глава 3.Новые методы исследования деформированного состояния криволинейных поверхностей.

На основе данных, полученных вследствие предварительных исследований деформированного состояния оболочек, диаметр которых принимал значения от 10"гм до 5 м, было установлено, что при измерении перемещений поверхностей, радиус кривизны которых больше чем 0.1 м, наиболее эффективны расчетно-экс-перимектальные методы, где классическая голографическая интерферометрия применяется для уточнения граничных условий или используется в качестве индикатора максимально нагруженных зон. которые в дальнейшем исследуются экспериментально с помощью контактных методов голографической интерферометрии [10-12, 15, 17, 21, 24]. Для измерения деформаций малогабаритных оболочек, радиус кривизны которых меньше чем 0.1 м. автором разработан оригинальный высокочувствительный метод панорамной голографической интерферометрии, который позволяет на одной плоской голограмме регистрировать одновременно перемещения точек всей поверхности оболочки [14-17].

Высокочувствительный метод панорамной голографической интерферометрии. Оболочка помещается внутри кругового зеркального конуса с раствором угла при вершине 90° и закрепляется цанговым зажимом. Ось оболочки совмещена с осью конуса. На свободный торец конуса закрепляется фотопластинка, на которой во встречных пучках регистрируется голограмма.

Использование данного интерферометра позволило в производственных условиях исключить влияние вибраций, смещений объекта как жесткого тела и влияние бликования зеркальной составляющей отраженного излучения. При наблюдении по норма-

ли видна вся поверхность оболочки с одного направления. Это не удавалось осуществить ни в одном из ранее известных интерферометров.

Для достижения максимальной чувствительности и точности измерения перемещений ш, нормальных к поверхности оболочки, автором предложена схема оптической фильтрации изображения, восстановленного голограммой. В этом случае вектор чувствительности интерферометра одинаков для каждой точки поверхности оболочки и ориентирован вдоль направления перемещения И [14].

С целью расширения возможностей методов панорамной интерферометрии, для увеличения длины исследуемой оболочки и повышения точности измерения внутриплоскостных перемещений, предложены оригинальные схемы с произвольным углом при вершине конического зеркала и произвольным углом наблюдения [35-37]. На основе геометрической модели, получены уравнения интерференционных полос из которых вычисляются перемещения V» и и

2к-з1п28+2и-00526=111!-X, (11)

V-(з1па+з1п28)+и-(соБа+со52в)=т2-X .

Установлены прямые и обратные преобразования, связывающие координаты точек цилиндрической поверхности и ее изображения, в виде кольцевой полосы, создаваемого коническим зеркалом и объективом фотоаппарата. С целью проверки качества преобразования, проводился метрологический эксперимент, показавший линейность преобразования и возможность надежно установить взаимное соответствие точек изображения и предмета [33, 35].

Достоинством разработанных методов панорамной интерферометрии является то, что элементная база интерферометров позволяет обеспечить варьируемую чувствительность к перемещениям V/ и и одинаковую для всех точек цилиндрической поверхности и разделить информацию об отдельных компонентах вектора перемещения посредством оптической фильтрации с помощью кольцевых конических зеркал на стадии наблюдения интерференционных полос. Соответствующей организацией экспери-

мента достигается также управление регистрируемой информацией об отдельных составляющих перемещения. В совокупности этого нельзя было осуществить ранее известными традиционными методами [37].

Исследовано деформированное состояние цилиндрической оболочки, нагруженной внутренним давлением. Расшифровка ин-терферограмм осуществлялась в соответствии с уравнением

Впервые экспериментально обнаружено моментное нагруже-ние области заделки боковой стенки оболочки и соответствующий прогиб этой области. Чувствительность ранее известных методов для регистрации столь малых возмущений была недостаточной. Данная информация уточняет граничные условия в выбираемых расчетных схемах и повышает достоверность результатов исследования деформаций. Также впервые с одной голограммы, при наблюдении интерферограммы с одного направления получены высокоточные количественные результаты одновременно о прогибе днища и боковой стенки замкнутой цилиндрической оболочки, нагружаемой внутренним давлением. Погрешность измерения меньше 5%.

Метод панорамной спекл-интеоферометрии. На базе панорамного интерферометра с коническим зеркалом, имеющим угол 28=90" при вершине, была разработана конструкция для получения сфокусированной безопорной двухэкспозиционной спеклог-раммы [39]. При освещении спеклограммы плоской когерентной волной, она дифрагирует на спекл-структуре. В пределах дифракционного конуса наблюдается панорамное изображение исследуемой поверхности и система интерференционных полос. В отличие от голографического изображения, сфокусированная спек-лограмма, полученная в параксиальных лучах, фиксирует только те смещения, которые перпендикулярны'оптической оси, то есть компоненту и полного вектора смещения. С помощью геометрической модели получено уравнение интерференционных полос

где (5 - увеличение линЬы спекл-интерферометра. Для сжатия

Ш=КХ/2 .

(12)

(13)

однородной цилиндрической оболочки и=-Х-к-(г -г0), где г0 -радиус оболочки, а параметр К, описывающий поле смещения и, равен

П-(т-1)

К= -5-. (14)

(Гт-Г,)- (Гт+^-Го)

здесь тг1 =(5г ■ ЦЛ^- 1/Ь). Интерференционные полосы отстоят от спеклограммы и линзы, используемой для наблюдения спек-лограммы. на расстояние, равное половине ее фокусного расстояния: Ьх = (1/2) ?!.

Таким образом, впервые получены панорамные спеклограммы и продемонстрирована возможность использования их для исследования деформированного состояния оболочек.

Методика регистрации круговых интерферограмм. Диссертантом предложено несколько оригинальных схем панорамных интерферометров, объединяющих достоинство традиционных оптических методов с голографическим способом регистрации информации. Они защищены авторскими свидетельствами [19, 27].

Для регистрации всех трех компонент вектора перемещения внутрь конуса устанавливался стеклянный цилиндр, имеющий внутренний диаметр несколько больший внешнего диаметра оболочки. Оси оболочки и стеклянного цилиндра совмещались. На боковую поверхность стеклянного цилиндра наносилась эмульсия, на которой регистрировалась голограмма. Расшифровка итерферограмм осуществлялась по методике, изложенной во второй главе.

Б тех случаях, когда необходимо определять только внут-риплоскостные компоненты вектора перемещения и и V, на боковую поверхность оболочки наносилась эмульсия, а на боковую поверхность стеклянного цилиндра - ортогональный линейный растр с частотой до 1000мм"1. Г.ри освещении интерферометра плоской волной, • свет, дифрагируя на решетке, образовывал стационарное интерференционное поле, которое служило в качестве контрольного растра.

Экспонируя дважды эмульсию на оболочке, до и после наг-ружения, регистрируем перемещения и и V. Одновременно на голограмме, закрепленной на торце конуса, регистрируем переме-

щения W. Представлены результаты экспериментального исследования тестовых объектов, оценены области практического использования данных методов. Анализ результатов исследования показывает, что разработаны альтернативные голографической интерферометрии методы измерения перемещений, не уступающие ей по чувствительности и практической значимости. Это существенно расширило возможности панорамной интерферометрии [17, 21, 23].

Эффективность рассмотренных в этой главе методов панорамной интерферометрии, их практическая значимость, а также технические возможности оценивались на примере исследования сжатия однородных цилиндрических оболочек. Отработана процедура получения интерферограмм. их расшифровка, оцифровка интерференционных полос, определение компонент полного вектора смещения. Варьировался угол наблюдения и угол при вершине конического зеркала - 28j=90°. 2в2=120°. Обработка участков интерферограмм производилась с помощью видеотерминала на базе IBM PC/AT. Модуль Юнга, определенный из результатов измерений смещений, близок к табличному значению [35,37]. Расхождение не превышает 5%.

Глава 4. Метрологический анализ голограбических методов измерения деформационных перемещений.

Исследование в области разработки метрологического обеспечения голографических методов измерения перемещений точек деформируемой поверхности необходимо для обоснования достоверности результатов эксперимента, для оценки целесообразности применения тех или иных методов и рациональной организации эксперимента. К метрологическим характеристикам обычно относят чувствительность, погрешность и диапазон измерения.

Чувствительность голографических методов измерения. Чувствительность рассмотренных выше голографических методов измерения оценена посредством анализа разрешающего уравнения, связывающего порядок интерференционных полос с перемещением точек деформируемой поверхности. Исходя из функцио-

нальной зависимости

N=S|Дг|, (15)

чувствительность методов S к измерению внутриплоскостных перемещений U и V. в пересчете на фиктивную частоту растра, можно изменять от единицы до 1500 мм"1, а чувствительность к измерению W - от 1580 до 3160 мм"1 [26]. (Оценки получены в предположении о том, что между голограммой и поверхностью объекта имеется воздушный зазор,Х=0,6328 мкм.). Чувствительность метода для определения (сх+еу) постоянна и зависит от параметров ПОС (коэффициента Пуассона, показателя преломления, толщины покрытия).

Диапазон измеряемых перемещений и деформаций. Обработка интерферограмм позволяет вычислить значение |Дг| в дискретных точках Xj. Поэтому диапазон измерения, - интервал между наименьшим и наибольшим пределом измерения, целесообразно определять на базе двух соседних интерференционных полос.

Нижний предел диапазона измерений, в пересчете на одну полосу, - это порог чувствительности метода. Однако в реальных условиях трудно осуществить эксперимент, при котором нижний предел измерения перемещений совпадал бы с порогом чувствительности метода. Автором показано, что нижний предел измерения внутриплоскостных компонент (в пересчете на одну полосу) составляет 0,7 мкм, а нижний предел измерения w -- порядка 0, 3 мкм. Порог чувствительности метода для измерения (£х+еу) зависит от толщины ПОС и ее физических параметров (Mj.n). В качестве ПОС используется оптически неактивное оргстекло толщиной 1мм (/¡,=0,35. n=l,5). s=2550mm"1. Нижний предел измерения (£х+еу)(в пересчете на одну полосу) при таком покрытии составляет 8-Ю"4.

Для других методов, с помощью которых исследуются внут-риплоскостные компоненты перемещения, максимальная чувствительность определяется минимальным углом наблюдения интерферограмм и нижний диапазон измерения U и V равен 0, 7мкм.

При наблюдении интерферограмм на отражение, нижний предел измеряемых перемещений определяется отношением W/U и W/V.

Верхний предел измеряемых перемещений определяется ми-

нимальньм значением чувствительности метода, которое можно реализовать в эксперименте. Когда W < U и вкладом компоненты W в общий фазовый набег можно пренебречь, то цена интерференционной полосы при исследовании внутриплоскостных перемещений порядка 12, 5мкм.

В тех случаях, когда W сравнимо с и и V. верхний диапазон измеряемых перемещений (в пересчете на одну полосу) зависит от отношения W/U, W/V. Эмпирическая оценка наибольшего смещения, которое можно измерить методом голографической интерферометрии составляет около 80Х, а методом спекл-интерфе-рометрии - 10CÜ [26, 363.

Границы измеряемых деформаций зависят от области изменения чувствительности интерферометра и от базы усреднения. Если воспользоваться линейной аппроксимацией, то минимальное значение базы усреднения соответствует максимальной частоте интерференционных полос, которые еще можно зарегистрировать. Фотографирование в лазерном свете сопровождается спекл--структурой, что не позволяет сделать базу усреднения меньше О,1мм. Верхняя база усреднения больше 10мм на практике не применяется. В этом случае диапазон измеряемых деформаций составляет 10~г...10~4.

Погрешность измерения деформационных перемещений. Количественное определение перемещений и деформаций с использованием контактного голографического способа регистрации информации связано с косвенными измерениями. В этом случае метод характеризуется двумя сторонами, каждая из которых является источником погрешности: метод измерения и алгоритм обработки определяют методическую составляющую погрешности, а средства измерения, используемые в эксперименте, - инструментальную.

Для вычисления методической погрешности используется функциональная зависимость между входными и выходными параметрами оптических преобразователей. Из анализа алгоритма расшифровки интерферограмм следует, что если в голографической интерферометрии компоненты вектора перемещений определяются из решения системы линейных уравнений

suU+s„Vi=Nlf -s„U+swW=N2,

(16)

то погрешность метода, обусловленная ошибками определения исходных параметров, может быть оценена сверху из выражения следующего вида [26, 36]

II Ах II - <

К ДN

^----, при р45°,

1 2 N (17)

к ДМ

(^•¡ЛДКИ^ сЪё - —, при К<45°,

«х||

где||Дх||/||х|| - ' относительная погрешность определения компонент вектора |Дг|; |Ду| - абсолютная погрешность измерения угла наблюдения к. отсчитываемого от оси г в плоскости хОг и уОг;|ДМ| - абсолютная погрешность определения порядка интерференционной полосы.

Когда система уравнений вида (16) сводится к решению уравнения с одним неизвестным, то оценка погрешности метода, с точностью до постоянных коэффициентов, определяется погрешностью вычисления модуля вектора |Дг| или его отдельных компонент и может быть представлена в виде

б(Дг)/Дг=ДИ/Н + Дб/б (18)

Если Дэ/з < ДМ/К, то вкладом ДБ/Б в выражении (18) можно пренебречь. Следовательно, погрешность измерения компонент вектора перемещения Дг в этом случае определяется точностью измерения порядка интерференционной полосы.

В панорамном интерферометре верхняя граница ошибки определения компонент полного вектора смещения, при 8=45°, может быть оценена из выражения

11Дх|| |Дш| - < (а)- ¡Дсс|+Г2(а)--, (19)

11х|| Ип1г+т22

где Г! (а) - тригонометрические функции угла наблюдения.Показано, что погрешность измерения и и и мало зависит от погрешности измерения угла наблюдения и в основном определяется погрешностью отсчета порядка интерференционных полос. Для уменьшения последней, следует уменьшать угол наблюдения а .

Анализ систематических погрешностей. Во время проведения эксперимента возникают отклонения от условий, при выполнении которых справедливы методы расшифровки интерферограмм.

Это служит дополнительным источником систематических погрешностей. Автором осуществлен анализ этих погрешностей и указаны рекомендации для повышения точности измерения [25].

Так, сделана оценка влияния изменения линейных размеров базы интерферометра на точность измерения компонент вектора перемещений при изменении окружающей температура, а также за счет усилий, возникающих в ПОС при деформациях поверхности объекта. Показано, что за счет теплового расширения или сжатия базы интерферометра, при изменении температуры на 10°, на интерферограмме регистрируются средние фиктивные деформации порядка 10"6, которые необходимо учитывать в виде поправки к результату эксперимента, если наблюдаются колебания температуры между двумя экспозициями.

Влияние подкрепляющего эффекта оценивалось экспериментально, для чего собирался интеферометр на поверхности стандартного образца - пластины, с центральным круговым отверстием, подвергающейся осевому растяжению. Ее деформации контролировались методом муаровых полос в стационарном интерференционном поле.

Усилия растяжения выбирались такими, чтобы средние деформации образца на удалении от концентратора равнялись 10~3. Установлено, что средние продольные деформации базы интерферометра, обусловленные напряжениями в ПОС, порядка 10"5, а поперечные деформации вообще не регистрировались. Следовательно, можно пренебречь изменениями линейных размеров базы интерферометра или учесть их в виде поправки к результатам эксперимента.

Рассмотрена также погрешность метода, связанная с фотографированием интерферограмм в непараллельных лучах. Показано, что в этом случае разность хода интерферирующих лучей для накладного интерферометра описывается выражением вида

Л1-Д2=2и соза(1+5), (20)

где а - угол наблюдения; 5=51пга(,л'/10-г2/210г) - дополнительный набег фаз для интерферирующих пучков, обусловленный съемкой в непараллельных лучах; 10- расстояние вдоль оси от наблюдателя до поверхности объекта. Выполнены подобные оцен-

ки и для панорамных интерферометров.

Определена погрешность метода, связанная с прямыми и обратными преобразованиями координат точек цилиндрической поверхности [36].

Итогом исследования метрологических характеристик разработанных методов и оптических преобразователей явился их сравнительный анализ на примере измерения перемещений и деформаций стандартного образца,представляющего собой пластину с круговым концентратором, подвергаемой осевому растяжению [26]. Для измерения деформаций использован метод изопахик, метод голографической интерферометрии с регистрацией перемещений и, V, V, метод спекл-интерферометрии и метод гологра-фического муара. Сравнение показало хорошее совпадение экспериментальных данных, полученных разными методами, с расчетными значениями перемещений и деформаций, расхождение которых не превышает 5%. При определении поперечных деформаций методом голографического муара в зоне концентратора наблюдается расхождение результатов эксперимента с расчетом более чем на 10%.

Таким образом, результаты исследования метрологических характеристик разработанных методов голографической интерферометрии указывают пути достижения высокой чувствительности и точности измерения перемещений, а также демонстрируют возможность расширения диапазона определяемых деформаций от малых упругих {порядка 10"5), до значительных пластических (порядка 10~2) за счет вариации параметров оптического преобразователя и схемы наблюдения интерферограммы.

Глава 5. Примеры исследования реальных ответственных конструкций.

На основе полученных результатов, под научным руководством автора и при его непосредственном участии, созданы и переданы заказчику экспериментальные образцы разработанных интерферометров, а также осуществлены работы по исследованию деформированного состояния ряда ответственных конструкций на промышленных предприятиях, в научных учреждениях, лаборато-

риях НИИЖТа и КГПУ [8, 18. 20-24, 28-31, 38].

На Новосибирском ГП "Октава" внедрены разработанные методы поэтапного технологического контроля и количественного исследования деформаций поликоровых оснований и элементов техники СВЧ, используемых в космических аппаратах и бортовом авиационном оборудовании. Впервые в них выявлены остаточные деформации в ответственных конструкционных элементах, возникающие после различных физических и механических операций, выработаны рекомендации для их устранения, что повысило процент выхода годных изделий и устранило эксплуатационные отказы из-за этих причин [22, 28, 30].

В ЦАГИ (г.Жуковский, Московской области) проведены физические эксперименты по внедрению накладных голографических интерферометров для построения диаграммы деформирования различных конструкционных материалов. Реализована разработанная автором методика измерения ширины петли диаграммы деформирования с помощью регистрации остаточных деформаций в максимально нагруженной точке стандартного образца - пластины с круговым отверстием, подвергаемой осевому знакопеременному циклическому нагружению [18]. Данная информация необходима для уточнения базоЕкх характеристик и зависимостей в условиях, близких к реально ожидаемым условиям эксплуатации этого элемента.

В этой же организации данными методами исследован датчик повреждений, дающий информацию о возникновении трещины и о прекращении эксплуатации конструкционного элемента. Установлено, что реальная работа элементов датчика отличается от расчетной. Это недопустимо из-за катастрофических последствий. Выработаны предложения по устранению конструкционных недостатков, что повысило надежность работы датчика [29].

Оригинальные результаты получены при изучении конструкционных особенностей твэлов в работах, поставленных совместно с Новосибирским заводом химконцентратов. С помощью панорамных интерферометров, предложенных диссертантом, установлены отклонения характеристик циркониевых твэлов от расчетных при моделировании тепловых и силовых нагрузок. Предложен соответствующий вид заглушки трубки и режим электронно-лучевой сварки, изменена форма пружинного фиксатора таблеточного

топлива. Это исключило процесс возникновения остаточных деформаций на разных стадиях технологии изготовления твэлов. что в конечном итоге повысило их надежность [16. 19]. Для сравнения - рентгеноструктурный анализ не улавливал эти аномалии в данных конструкциях.

Важные результаты, необходимые для проектных работ, получены совместно с Сибирским научно-исследовательским институтом авиации (г.Новосибирск), при исследовании элементов сварных трубопроводов, изготовленных из сплавов АМГ-2М, ЗМ. Выявлены локальные прогибы разного знака поверхности оболочки, прилегающей к сварному шву, которые возникают под действием избыточного внутреннего давления. Это противоречило принятой модели работы конструкционного элемента [31]. Она была уточнена.

Для КБ Машиностроения (г.Миасс) исследованы большегаба-ритные сборки ракетных корпусов диаметром 5 м с помощью го-лографической интерферометрии в расходящихся пучках. Выявлены максимально нагруженные зоны, которые затем изучены с использованием накладных интерферометров. Ценность практических измерений в том, что количественные результаты получены при малых уровнях нагрузок, не разрушающих реальные дорогостоящие сборки. Стандартные испытания тензометрическим контролем приводят к разрушению этих сборок, так как тензодатчик не всегда попадает в максимально нагруженные зоны конструкции [17, 18, 24].

Представлены результаты исследования стандартных оболо-чечных конструкций с концентраторами деформаций и без них подвергаемых разным видам нагружения. Получены достоверные значения деформаций сопоставимые с табличными данными для этих образцов [23, 35-37, 39-42].

Полученные результаты исследования деформированного состояния ответственных конструкций подтверждают практическую значимость разработанных методов и возможность их эффективного использования в производственных условиях. Другими методами их достигнуть невозможно из-за недостаточной чувствительности или низких метрологических характеристик.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе поставлена, обоснована и решена важная задача разработки основ и принципов реализации новых высокочувствительных методов голографической интерферометрии для изучения деформационных перемещений плоских участков диффузных поверхностей. Эти способы исследований свободны от принципиальных метрологических и технических ограничений, которые неустранимы в традиционных методах экспериментальной механике.

Полученные автором теоретические и экспериментальные результаты решения этой же задачи для объектов осесимметрич-ной формы являются базовыми в развитии нового научного направления - "Панорамная интерферометрия".

Основные результаты диссертации состоят в следующем:

1. Разработаны высокочувствительные интерференционные методы исследования деформированного состояния твердых тел с использованием контактного способа регистрации голограмм Ю. Н.Денисюка, радикально отличающиеся от известных бесконтактных тем, что созданные на их базе приемы и методы измерения деформационных перемещений, позволяют разделить вклад различных составляющих перемещений в полный набег фазы на всех стадиях формирования интерферограмм. Число элементов, необходимых для реализации схем интерферометров, сведено к минимуму. Это существенно повысило точность и расширило диапазон измерения деформаций.

2. Впервые предложены и исследованы методы модуляционной фазометрии статических интерферограмм. основанные на импульсной временной и нелинейной пространственной модуляции измеряемой фазы посредством известной ступенчатой функции и дана оценка области их использования (на примере восстановления полной фазы для принятых моделей интерферограмм). Этот результат открывает новые направления развития методов пространственной фазометрии.

3. Разработаны высокочувствительные методы панорамной голографической и спекл-интерферометрии на основе конических зеркал, позволяющие определять по одной голограммы любые компоненты вектора перемещения точек деформируемой поверхности осесимметричной формы с требуемой для практики точностью одновременно несколькими независимыми методами. Получены аналитические выражения расшифровки интерферограмм при произвольном угле конического зеркала 9, углах наблюдения а и у. угле падения света ф. в случаях, когда цилиндрическая поверхность наблюдается непосредственно, или в лучах, отраженных коническим зеркалом. Выведены аналитические выражения прямых и обратных преобразований координат цилиндрической поверхности и ее изображения, создаваемого коническим зеркалом и объективом фотоаппарата. Исследованы условия, при которых преобразования являются линейными. Даны рекомендации улучшения предельных характеристик панорамных интерферометров. Экспериментально показана достоверность получаемых результатов измерения перемещений. В силу своей универсальности и уникальных возможностей разработанные методы панорамной интерферометрии занимают лидирующее положение в ряду экспериментальных методов, предназначенных для исследования деформационных перемещений объектов осесимметричной формы, диаметр которых меньше 0.1 м.

4. Впервые предложен новый способ разделения объективной спекл-структуры, связанной с разным уровнем деформированного состояния микроструктуры поверхности объекта, посредством введения неизменной пространственной несущей на каждой стадии регистрации контактной голограммы. Отличительная особенность такого способа организации метода спекл-ин-терферометрии заключается в том, что в процессе обеспечения суперпозиции взаимно когерентных идентичных спекл-полей, определяющей закономерности образования низкочастотных интерференционных полос, включены только деформационные перемещения. Апертура наблюдающей и регистрирующей системы не влияет на тонкую структуру спеклов, а в спекл-интерферометрии сфокусированных изображений видность полос однозначно связана с импульсным откликом изображающей системы. Следовательно, предложенный метод повышает контраст интерференционных по-

лос, частично уменьшает спекл-шум, что повышает точность определения координат полос.

5. Разработана методика одновременного формирования двух когерентных пучков света, один из которых диффузный, с регистрацией их на однократно экспонированной голограмме Ю. Н.Денисюка и предложен способ внесения управляемого фазового сдвига между восстановленными волновыми фронтами посредством изменения направления освещения голограммы. Наиболее важным достоинством разработанных на базе этого метода оптических преобразователей является их безинерционность, отсутствие подкрепляющего эффекта, возможность наблюдения интерферограмм в режиме "реального времени" при естественном освещении.

6. Исследованы процессы пространственной фильтрации в голографии и оптике спеклов с помощью кольцевых конических зеркал, применительно к разделению информации о различных составляющих деформационных перемещений, а также методы обработки этой информации. Получены аналитические уравнения для расшифровки отфильтрованных интерферограмм. Экспериментально подтверждена достоверность результатов измерения.

7. Аналитически и экспериментально исследованы метрологические характеристики усовершенствованных методов голографической интерферометрии. Даны рекомендации по выбору параметров оптических преобразователей, принципов измерения, способов наблюдения и обработке информации для достижения необходимой чувствительности, точности и диапазона измерения деформационных перемещений. Показано, что разработанные высокочувствительные методы голографической интерферометрии позволяют исследовать как малые упругие деформации ( порядка 10"5). так и значительные пластические ( порядка 10"2). Достигнута точность измерения, удовлетворяющая требованиям инженерных расчетов. Погрешность измерения перемещений М не превышала 3%, погрешность измерения внутриплоскостных компонент перемещения не превышала 5%.

8. Созданы и переданы заказчику экспериментальные образцы разработанных интерферометров, а также осуществлены работы по исследованию деформированного состояния ряда ответственных конструкций - твэлов, элементов летательных ап-

паратов. изделий электронной промышленности. Полученные результаты уникальны, так как другими методами их достигнуть невозможно из-за низкой чувствительности или недостаточных метрологических характеристик.

Основные результаты диссертации отражены в следующих работах:

1. Жилкин В.А., Борыняк Л.А. Определение перемещений элементов конструкций с помощью голографической интерферометрии. -Изв. высш. учебн. заведений. Строительство и архитектура, 1974, N10, с. 150-155.

2. Жилкин В.А., Борыняк Л.А. Подготовка информации для автоматизации процессов измерения перемещений голографичес-ким способом. - В кн.: Автоматизированные информационно-измерительные системы в транспортном строительстве. М., 1974, с. 49-56.

3. Жилкин В.А., Борыняк Л.А. Получение линейных растров и муарового эффекта с помощью стоячих световых волн.- Изв. высш. учебн. заведений. Строительство и архитектура. 1975, N4, с. 168-170.

4. Жилкин В.А., Борыняк Л.А. Методика получения высокочастотных растров и примеры их применения. Тез. докл. всесо-юзн. сем. "Геометрические методы исследования деформаций и напряжений". Ч. П. Челябинск, 1975, с. 104-106.

5. Жилкин В.А., Борыняк Л.А. Применение голографической интерферометрии для анализа полей перемещений. - Тез. докл. всесоюзн. сем. "Геометрические методы исследования деформаций и напряжений". Ч. П. Челябинск, 1975, с. 120-122.

6. Жилкин В.А., Борьияк Л.А. Оптические способы определения малых перемещений и деформаций элементов конструкций. В кн.: Голографйческие измерительные системы. Новосибирск, 1976. с. 76-92.

7. Жилкин В.А., Борыняк Л. А. Метод голографической интерферометрии с использованием голограмм Денисюка для исследования деформированного состояния объекта. - В кн.: Материалы XI Всесоюзной школы по голографии. Л., 1979, с. 180-186.

8. Жилкин В.А.. Борыняк Л.А. Экспериментальное опреде-

ление функции перемещений для точек деревянной поверхности при выдергивании из нее стального стержня.- Изв. высш. учебн. заведений. Строительство и архитектура. 1979, N5, с. 135-136.

9. Жилкин В. А., БорынякЛ.А., Попов A.M., Герасимов С.И. Применение лазеров и голографии при изучении деформированного состояния твердых тел. -Тез. докл. всесоюзн. конф. "Применение лазеров и голографии при изучении деформированного состояния твердых тел". 1980, с. 69-73.

10. Жилкин В.А., Борыняк Л.А., Герасимов С.И. Использование контактных голографических методов для исследования деформированного состояния изделий.- Тез. докл. I всесоюзн. конф. "Оптические и радиоволновые методы и средства неразру-шающего контроля качества материалов и изделий" 4.2. Фергана, 1981, с. 156-158

И. Жилкин В.А., Борыняк Л.А. Методика исследования деформированного состояния элементов тонкостенных конструкций с помощью голограмм Ю.Н. Денисюка. - Тез. докл. IV всесоюзн. сем. "Оптико-геометрические методы исследования деформаций и напряжений и их стандартизация". Горький, 1982, с. 85-87.

12. Жилкин В.А., Борыняк Л.А. Анализ деформированного состояния элементов тонкостенных конструкций с помощью метода голографической интерферометрии. - Тез. докл. IV всесоюзн. конф. по голографии. Ереван, 1982, с. 676-680.

13. Борыняк Л.А., Герасимов С.И., Жилкин В.А. Практические способы записи и расшифровки интерферограмм, обеспечивающих необходимую точность определения компонент тензора деформаций.- Автометрия, 1982,N1. с. 17-24.

14. Жилкин В.А., Борыняк Л.А. Исследование деформированного состояния замкнутой цилиндрической оболочки методом голографической интерферометрии. - В кн.: Механика деформируемого тела и расчет транспортных сооружений. Новосибирск, 1982. с. 85-89.

15. Жилкин В.А., Борыняк Л.А. Экспериментальное исследование деформированного состояния оболочек и пластин с использованием голограмм Ю.Н. Денисюка. - Тез. докл. юбил. науч.-техн. конф. "Повышение надежности и эффективности работы железнодорожного транспорта". Новосибирск, 1982, с. 150.

16. Жилкин В.А., Борыняк Л.А., Устименко А.П. Гологра-фический интерферометр для контроля отражающих объектов цилиндрической формы. А. С. 116230. 07.12.82.

17. Жилкин В.А.. Борыняк Л. А. Исследование деформированного состояния тонкостенных оболочечных конструкций методом голографической интерферометрии. - Тез. докл. всесоюз сем. "Применение метода лазерной интерферометрии для повышения качества изделий". Миасс. 1983, с. 3-4.

18. Борыняк Л.А. Исследование диаграммы деформирования материала в максимально нагруженной точке тонкого образца при циклическом нагружении. Тез. докл. .3 Всесоюзная Уральская конф..Применение лазерной интерферометрии для повышения качества изделий. Миасс, 1984.

19. Борыняк Л.А., Жилкин В.А., Устименко А.П. Гологра-фический интерферометр для определения деформаций отражающих объектов цилиндрической формы. A.C. N1417578. 9.01.85.

20. Борыняк Л.А. Накладные голографические интерферометры. Инф. лист. ЦНТИ, Новосибирск. 1986.

21. Борыняк Л.А. Интерферометры для исследования тонкостенных оболочечных конструкций. Инф. лист. ЦНТИ. Новоси-бироск. 1986.

22. Борыняк Л.А. Неразрушающий контроль изделий микроэлектроники. Тез. докл. научн. техн. конф. Вопросы ускорения научно-технического прогресса на ж.д. транспорте. Новосибирск,1986

23. Жилкин В.А., Устименко А.П., Борыняк Л.А. Исследования деформированного состояния тонкостенных цилиндрических оболочек с помощью панорамного интерферометра. Прикладная механика N12. 1986. с. 79-84.

24. Жилкин В.А., Борыняк Л.А., Ананенко А.А., Куприянов С. А. Исследование деформированного состояния крупногабаритных оребренных панелей методом голографической интерферометрии. Тез. докл. '6 Всесоюзн. конф. Экспериментальные исследования инженерных сооружений. Новополоцк. 1986.

25. Борыняк Л.А. Оценка величины систематической погрешности измерения перемещений в накладных интерферометрах. Рук. депон. ВИНИТИ N837-B86. 1986. с. 1-9.

26. Борыняк Л.А. Точность измерения перемещений в накладных интерферометрах. Рук. депон. ВИНИТИ. N83-B86.1986.с.1-9.

27. Борыняк Jl. А., Логинов A.B. Гслографический интерферометр для контроля боковой поверхности цилиндрической оболочки. A.C. 4483885/28-135781 от 19.09.88.

28. Борыняк Л. А., Мачулина Н.И.. Непочатов Ю.К.. Полу-кайнен С.А. Исследование термических деформаций мощных полевых транзисторов методом голографической интерферометрии. Тез. докл. конф.. Аналитические методы исследования материалов и изделий микроэлектроники. Сер.3, Микроэлектроника, выпуск 1 (297), Новосибирск, 1989 г. с. 119-120.

29. Борыняк Л.А., Галкина 0.3., Городниченко В.И., Свирский Ю.М. Применение методов когерентной оптики для исследования деформированного состояния датчиков повреждения. Заводская лаборатория. N12 1990. с. 91-94.

30. Борыняк Л.А., Логинов A.B. Голографические методы контроля технологии производства в микроэлектронике. Тез. докл. междунар. кснф. Лазеры 90. Пловдив 1990.

31. Борыняк Л.А., Логинов A.B. Экспериментальное исследование деформированного состояния сварных оболочек тубопро-водов. Тез. докл..Междунар. конф.. Сварные конструкции. Киев 1990.

32. Борыняк Л. А., Домуладжанова В. И.. Меднис П.М. Об измерении длины волны монохроматического излучения и дифракции Френеля на длинней прямой щели. Депонированная рукопись NP-5439. 000940. -1991.

33. Борыняк Л. А., Краснопевцев Е.А., Логинов A.B.. Шты-гашев A.A. Панорамные голографические интерферометры//Тезисы XIV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике 24-27 сентября 1991г. в г. Ленинграде. - Т.1. - 1991. -с. 198-199.

34. Борыняк Л.А., Меднис П.М. О некоторых особенностях дифракции Френеля// Автометрия, 1992.- N1.- с. 6-11.

35. Борыняк Л.А., Краснопевцев Е.А., Логинов A.B., Шты-гашез А. А. Панорамные интерферометры для исследования деформаций объектов осесимметричной формы // Автометрия. -1992. -N2. - с. 41-46.

36. Борыняк Л. А.. Краснопевцев Е.А., Логинов A.B., Шты-гашев А.А. Точность определения перемещений в голографичес-ких интерферометрах // Автометрия. - 1992. - Кб. - с. 62-75.

37. Борыняк Л.А., Краснопевцев Е.А., Логинов A.B. Методические аспекты исследования деформаций в голографических интерферометрах // Автометрия. - 1993. - N1. - с. 48-57.

38. Борыняк Л. А.. Логинов A.B., Меднис П.М., Сарнадский В.Н. Физические принципы практической интерферометрии // Автометрия. - 1993. - И4. - с. 59-77.

39. Борыняк Л. А.. Краснопевцев Е.А.. Логинов A.B. Панорамный спекл-интерферометр для исследования перемещений деформируемых объектов.// Автометрия. - 1994.- N3. - с. 22-30.

40. Борыняк Л. А., Захаров О.Н., Логинов A.B. .Меднис П.М. Накладной голографический интерферометр с адаптивной базой. // Автометрия. - 1994. - N4,- с. 53-60.

41. Борыняк Л. А., Краснопевцев Е.А., Логинов A.B. Панорамные интерферометры. Доклад на Международной конференции "Фотомеханика 95", Новосибирск 1995.

42. Борыняк Л.А., Захаров О.Н., Меднис П.М., Логинов A.B. Тонкопленочный интерферометр с адаптивной базой. Доклад на Международной конференции "Фотомеханика 95", Новосибирск 1995.

Подписано к печати О 19Э6 г.

Формат бумаги 60x84 1/16. Объем 2 печ.л. Тираж 100 экз. Заказ N 40

Педуниверситет, Новосибирск, 630126, Вилшская 28.