Рис.3 - ДЛП перемещений с отражающей решеткой: 1 - источник света, 2 - конденсорные линзы, 3 - стальная шкала с решеткой, 4 - диафрагма, 5 - фотоприемник

При смещении решеток друг относительно друга зоны (темные и светлые) смещаются друг относительно друга вверх-вниз на расстояние l. Р - шаг решетки, и - угол наклона.

Муаровая картина формируется на выходе прозрачной решетки. Линейная ширина периода муаровой картины равна:

, (1)

где, - постоянная прозрачной решетки, и - угол разворота штрихов.

В ДЛП этот угол равен примерно 10-4, так, что перемещению решетки на 1 мкм соответствует сдвиг муаровой картины на 10 мм, что легко фиксируется фотоприемником.

Обычно достаточно двух фотоприемников. При перемещении в них формируются сигналы:

I = (E0 + Ecos2рX/е) (2)

I = (E0 ± Esin2рX/е), (3)

где k, k - чувствительность фотоприемника, Е0 - уровень постоянной составляющей и амплитуды переменной составляющей освещенности муаровой картины, Х - величина перемещения, - цена периода муаровой картины.

d2 - постоянная отражающей решетки, qi - порядок дифракционного максимума.

Поскольку на 2 максимуме отражения при равнобедренных рисках приходится 80% отражающей энергии, то q = 2, е = d2/4.

При определении положения с точностью ±е возникают трудности интерполяции из-за колебаний постоянной освещенности Е0, которая зависит от многих факторов, в том числе и от колебаний яркости источника света, от изменяющееся отражательной способности решеток и т.д.

Поэтому иногда в ДЛП применяются фотоприемники, расположенные вдоль муаровой картины, со сдвигом на четверть периода и формируются два сигнала, каждый из которых представляет собой разность сигналов двух фотоприемников, расположенных на расстоянии половины периода муаровой картины.

3. Методика получения картин муаровых полос

Методика получения муаровых картин включает ряд последовательных операций, важнейшими из которых являются: изготовление растров эталонов; получение контрольных растров; перенос растрового изображения на исследуемую поверхность, т.е. получение рабочего растра; совмещение контрольного и рабочего растров и регистрация возникающих при деформировании рабочего растра и муаровых полос.

3.1 Методы изготовления растров-эталонов

Линеатура применяемых растров обуславливается желаемым диапазоном и точностью измерения деформаций. Для исследования упругих и малых упруго - пластических деформаций в плоских образцах или деталях необходимо использовать растры с линеатурой порядка 30-200 линий/мм, для измерения больших пластических деформаций - растры с линеатурой порядка 2-10 линий/мм.

Оригинальные линейные растры изготовляют оптико-механические предприятия с помощью специальных делительных машин, к конструкции и точности изготовления которых предъявляют особые требования. Основные технические принципы, выполнение которых необходимо для получения качественных растров, состоят, во-первых, в том, чтобы обеспечивался малый износ резца (для получения равных и одинаковых линий по всей нарезаемой площади), а, во-вторых, чтобы выдерживались равные интервалы между линиями. Первое достигается применением алмазного или твердосплавного режущего инструмента, причем нарезку осуществляют не непосредственно на стекле, а на более мягком материале, наносим на поверхность стекла, а второе - специальной конструкцией и специальной технологией изготовления механизма подачи делительной машины.

Для защиты от внешних воздействий делительные машины устанавливают на специальных изолированных фундаментах в термостатированных (обычно подвальных) помещениях.

Процесс изготовления растров с линеатурой порядка 2-10 линий/мм заключается в линовании растра делительной машиной на парафинированном стекле, травлении стекла фтористо-водородной кислотой и набивке вытравленных полос краской. Иногда такие растры изготовляют также на пленке с помощью светового штриха, перемещающегося по слою фотоэмульсии. Кроме того, растры с линеатурой порядка 2-10 линий/мм могут быть изготовлены путем фотографирования растра, вычерченного с большим увеличением на белой бумаге. При этом особые требования предъявляют к качеству чертежа и разрешающей способности объектива, в частности, объектив должен обеспечивать отсутствие дисторсий и аберраций на краях поля.

Более тонкие растры (с линеатурой 10-20 линий/мм и выше) изготовляют только на прецизионных делительных машинах. При этом линование растров производится по слою напыленного в вакууме на плоском оптическом стекле алюминия. Таким способом могут быть изготовлены растры с линеатурой до 100-150 линий/мм.

Более трудоемки и дороги в изготовлении дифференциальные растры. Имеющиеся в ряде работ рекомендации по изготовлению дифференциальных растров путем растяжения пленки с предварительно нанесенным растром, а также рекомендации по изготовлению таких растров путем варьирования температурных условий сушки пленки с нанесенным растровым изображением едва ли могут быть широко использованы в связи с обычно наблюдаемой при этом существенной неравномерностью деформации пленки. Поэтому наиболее эффективно изготовление дифференциальных растров с использованием прецизионных делительных машин. Вместе с тем получение таких растров связано, как правило, с нестандартной заточкой режущего инструмента и перенастройки делительного механизма подачи машин.

3.2 Изготовление контрольных растров

Изготовленные оригинальные линейные растры обладают высокой точностью и четкостью линий. Вместе с тем они механически легко повреждаемы, и поэтому целесообразно производить дальнейшие операции не с оригиналами, а с их фотографическими копиями (контрольными растрами или шаблонами).

Контрольные растры могут быть изготовлены на стеклянных пластинках или пленках со специальной фотоэмульсией, причем шаблоны-пластинки предпочтительнее, ибо при работе с пленками трудно обеспечить равномерное прилегание при экспонировании, они обладают малой светопроницаемостью, неравномерной усадкой и т.д.

К фотоэмульсиям, применяемым для изготовления фотокопий растров, предъявляют следующие технические требования:

а) высокая разрешаю способность (не менее 200 линий/мм);

б) высокая контрастность (показатель контрастности г~6);

в) резкий край штриха или изображения;

г) отсутствие деформаций при высыхании;

Контроль качества полученного изображения осуществляют на микроскопах, а также с помощью эффекта муаровых полос; условием идентичности оригинала и копии является отсутствие при их совмещении картины муаровых полос. При повороте идентичных растров относительно друг друга должна возникать картина параллельных муаровых полос.

Обычно контрольные растры изготовляют фотоконтактным способом. При этом особое внимание уделяют обеспечению плотного равномерного прижима фотопластинки к эталону и параллельности пучка света, применяемого для освещения. С этой целью экспонирование производится в специальном прижимном устройстве (часто вакуумном), а источник света (обычно монохроматического) помещается на расстоянии 1.5-2 м.

Одним из способов, позволяющих улучшить качество растровых копий, является контактное фотографирование растра через слой иммерсионной жидкости, размещенной между эталоном и фотопластинкой.

В качестве иммерсионной жидкости могут быть использованы прозрачные жидкости, обладающие высоким коэффициентом преломления (~1.5), не растворяющие эмульсию фотопластинки и материала эталон, быстро испаряющиеся или легко смываемые с поверхностей эталона и копии. Такими свойствами обладают толуол, ксилол, масло доя вакуумных насосов.

При изготовлении качественных растровых копий особое внимание приходится уделять выбору и размещению источника света.

Для уменьшения эффекта дифракции, а также в связи с малой светочувствительностью высокоразрешающих фотоэмульсий при печатании растровых изображений обычно используют источники монохроматического света с длиной волны в диапазоне 350-500 нм.

3.3 Методика нанесения растров на поверхность образцов или деталей

Различают в основном два способа нанесения тонких растров на исследуемую поверхность. Первый способ заключается в использовании специальной расслаивающейся пленки с заранее отпечатанным на ней растром. Пленку приклеивают эмульсией к исследуемой поверхности, после чего, специальным растворителем удаляют целлулоидную основу, оставляя прикрепленную к поверхности эмульсию с изображением растра. Вследствие ограниченной пластичности прикрепленного слоя и реологических свойств клея такой метод пригоден для исследования небольших статических деформаций.

Второй способ, более распространенный и более эффективный, состоит в нанесении на поверхность образца специальной эмульсии с последующим контактным фотографированием растра непосредственно на образце. Используемая при этом эмульсия должна обладать высокой разрешающей способностью, хорошей адгезией к поверхности исследуемого материала, пластичностью, сопоставимой с пластичностью исследуемого материала, достаточной контрастностью получаемого штрихового изображения, малой усадкой при высыхании, устойчивостью к кислотному воздействию. Кроме того, при нанесении на корродирующие металлы эмульсия не должна вызывать ржавления исследуемой поверхности.

Для изготовления растровых изображений в лабораторных условиях могут быть использованы эмульсии на основе: поливинилового спирта (ПВС), диазосоединений, поливинилциннамамина (ПВЦ), хромированной желатины, хромированного альбумина.

3.4 Методика фиксации и обработки картин муаровых полос

При отработке методики важно обеспечить возможность регулировки положения контрольного растра относительно растра, нанесенного на образце.

Наложение контрольного и рабочего растров, необходимое для получения картины муаровых полос, обычно осуществляют механическим или оптическим способом.

В первом случае контрольный растр непосредственно (эмульсия к эмульсии) совмещается с растром, нанесенным на образце. При этом контрольный растр (или контрольные растры, если образец исследуется с обеих сторон) размещают в специальном приспособлении.

Основными техническими требованиями, предъявляемыми к конструкции приспособления являются: возможность регулировки и фиксации положения контрольного растра, обеспечение плотного контакта между контрольным растром и образцом во все время испытаний, возможность регистрации возникающих при нагружении муаровых картин без остановки испытаний, простота в установке и разборке.

В ряде случаев, например при высокотемпературных исследованиях, механическое совмещение контрольного и рабочего растров оказывается нецелесообразным, поэтому в таких условиях обычно осуществляется оптическое совмещение растров. Оптическое наложение контрольного и рабочего растров выполняют с помощью специальных оптических систем. Оно заключается в следующем: растр, нанесенный на образце, проектируют в фокальную плоскость фотокамеры, где заранее располагают контрольный растр; возникающую при их наложении картину полос регистрируют второй камерой. Первая фотокамера должна быть снабжена высокоразрешающим длиннофокусным объективом с большой апертурой.

Кроме того, особые технические требования предъявляют к конструкции самой камеры. В частности, необходимо обеспечить строгую перпендикулярность растра, расположенного в фокальной плоскости объектива, и оптический оси объектива, причем это требование должно выполняться и при перемещении растра в процессе наводки на резкость. Необходимо также предотвратить какие-либо вибрации и перемещения корпуса фотокамеры. [3]

4. Погрешности определения деформаций методом муаровых полос

При исследовании деформаций по картинам муаровых полос интегральная погрешность метода оценивается в диапазоне 10-12% (при измерении по целым порядкам полос) или 5-8% (при измерении по дробным порядкам) и зависит от ряда случайных и систематических погрешностей, которые связаны с изготовлением растров эталонов (до 0.05%), усадкой фотоэмульсии при переносе растровых изображений на исследуемую поверхность (до 0.5%); отклонениями в ориентации растра относительно главных направлений деформаций (до 1%); погрешностью оценки масштаба при регистрации картин полос (до 1%); неточностью определения координат максимумов (минимумов) освещенности при работе с целыми порядками полос ( в пределах 1-5%); неплоскостностью исследуемой поверхности при механическом (контактном) совмещении эталонного и рабочего растров (до 0.5-1%), погрешностями аппроксимации и дифференцирования дискретно заданных кривых перемещения.

Помимо указанных составляющих погрешностей, необходимо учитывать возможные погрешности, обусловленные температурным расширением эталонного и рабочего растров. При использовании метод сдвижки следует иметь в виду погрешности микрометрических приспособлений, определяемые ценой деления соответствующих шкал.

При испытаниях на растяжение-сжатие на машинах с одним подвижным захватом необходимо также учитывать асимметрию муаровой картины относительно оси, перпендикулярной к направлению усилия. В этих случаях необходимо обрабатывать обе половины муаровой картины, симметричные относительно этой оси, и затем вычислять средние величины по каждым двум измерениям координат полос.[2]

5. Электронно-проекционный метод

Электронно-проекционный метод имеет ряд преимуществ перед уже рассмотренными методами и состоит в следующем: рабочая сетка проецируется на объект проектором, далее она сканируется камерой и обрабатывается с помощью компьютера.

Минимально необходимый набор компонентов системы включает компьютер, мультимедийный проектор и цифровую фотокамеру. Для осуществления масштабного сканирования поверхности к системе необходимо добавить элементы, обеспечивающие ей мобильность, но в рамках данной работы рассмотрен минимальный набор. Функциональная схема такой системы представлена на рис. 2.

Рис. 4 Функциональная схема: 1- исследуемая поверхность; 2 - цифровая фотокамера; 3 - мультимедийный проектор; 4 -компьютер.

Компьютер синтезирует решетку с заданными параметрами, после чего подготовленная сетка проецируется на объект мультимедийным проектором. Далее изображение на объекте фотографируется цифровой камерой и передастся в компьютер, где сначала происходит первичная обработка изображения - приведение его к монохромному виду. После чего осуществляется синтез мнимого растра и определение центров светлых полос объектного растра и центров темных полос мнимого растра, их наложение и определение муаровой картины.

Заключительным этапом обработки является расчет высот, т.е. расстояний от плоскости мнимого растра до соответствующих точек поверхности объекта.

Информация, заключенная в растрах, является виртуальной - это означает, что параметрами растров является их емкость, т.е. количество пикселей. Так как отображаемый пиксель приобретает физические размеры только в результате проецирования, то это является характеристикой проектора, но никак не растра. Аналогично принятый камерой растр отображается в поле пикселей, не имеющих физических размеров. Физически можно определять границы проецируемых полос со сколь угодной точностью, но при обработке их в цифровом формате они характеризуются значениями с заданной дискретностью, что опять же определяется разрешающей способностью камеры.

Таким образом, главной задачей математической модели является преобразование виртуальной матрицы данных в информацию о физическом объекте. Оптическая схема, поясняющая электронно-проекционный муаровый метод, представлена на рис.3.

Рис. 5. Оптическая модель

На поверхность объекта проецируется матрица рабочего растра. Вынесенная на расстояние r камера совмещена оптической осью с осью проектора в точке O, принадлежащей поверхности объекта исследования. При этом камера имеет наклон б по отношению к креплению. Картина полос на объекте преобразуется цифровой камерой в матрицу пикселей рабочего растра. В компьютере, на основе информации о толщине полос рабочего растра и избранного расстояния d от точки O до плоскости мнимого растра, генерируется мнимый растр. Далее центры светлых полос проектного растра и центры темных полос мнимого растра совмещаются на предмет совпадения. Точки, где имеет место такое совпадение - это точки центров муаровых полос.

Рассмотрим, как формируются координаты точек центров темных полос мнимого растра в зависимости от параметров r, б, d и шага полос рабочего растра s.

Определим угол в как угол между оптическими осями проектора и камеры. Тогда в = 90° - б. Координаты центров:

При расчете координат используется значение функции масштаба для изображения, получаемого с помощью проектора. Предполагается, что разрешения проектора и камеры совпадают. Функция Q имеет линейный характер, и проецируемая картина изменяет свои физические размеры в зависимости от расстояния до плоскости проецирования линейно.

После обработки объектного растра мы получаем значения центров светлых полос и для извлечения информации о топологии поверхности сравниваем координаты центров полос мнимого растра и объектного. В этих точках интенсивность света равна нулю - это и есть центры муаровых полос. Значения высот вычисляются по формуле:

где и , при ;

, при .

При получения информации о топологии поверхности с использованием электронно-проекционного метода целесообразно представить полный алгоритм в виде набора функциональных блоков: блока формирования эталонных и мнимых растров; блока проецирования эталонных растров на рабочую поверхность; блока получения рабочих растров, содержащих информацию о деформациях; блока наложения сеток и получения муаровой картины, блока обработки и формирования матриц параметров, блока построения поверхностей в трехмерном изображении, блока расчета возникающих напряжений в областях деформаций. [4]

6. Функциональная схема оптического измерительного прибора на основе муарового эффекта

Традиционно под принципиальной схемой прибора (установки) понимают оптическую измерительную схему с указанием необходимых перемещений.

Рис.6. Функциональная схема оптического измерительного прибора на основе муарового эффекта

Функциональная схема может использоваться для выбора характеристик прибора и анализа его действия, определения требований к отдельным узлам. Традиционно принято давать следующее описание назначения отдельных узлов измерительного оптического прибора.

Осветитель предназначается для освещения тестовых объектов или объектов измерения. Обычно осветитель состоит из лампы накаливания, конденсора и светофильтра. Все чаще в качестве источников используются лазеры.

Тестовый объект - это типовой объект (решетка с заданными параметрами). Штриховой линией обведен узел, используемый в приборах, работающих с тестовыми объектами, и отсутствующий при измерении непосредственно по объекту.

Изображающая оптическая система предназначена для создания изображения объекта (или тест-объекта) в плоскости приемника и анализатора изображения.

Осветитель, тест-объект и изображающая оптическая система, стоящая перед измеряемой деталью объединяются в один функциональный блок - осветительное устройство, назначение которого состоит в создании светового потока, получающего под воздействием испытуемого объекта информацию об измеряемом параметре и обращающегося в оптический сигнал. Осветительное устройство в нашем случае представляет собой мультимедийный проектор.

Анализатор изображения состоит из собственно анализатора и приемника излучения (изображения). В качестве светочувствительных элементов для видеокамер были использованы так называемые ПЗС-матрицы. Принцип действия таких устройств основан на том, что при освещении ПЗС в полупроводнике около его поверхности образуются пары носителей заряда электрон -- дырка, которые разделяются электрическим полем потенциальной ямы под затвором секции переноса. Образующиеся при поглощении квантов света носители заполняют потенциальные ямы пропорционально освещенности данной области ПЗС. Если затем произвести обычным путем сдвиг записанной световой информации, то сигнал на выходе ПЗС будет повторять распределение освещенности, т. е. будет выделена строка изображения. Так же может быть выделена следующая строка и т. д. Анализатор изображения вырабатывает на выходе электрический сигнал.

Устройство обработки информации представляет собой совокупность аналоговых или аналого-цифровых преобразователей, встроенных в прибор микропроцессоров или отдельно расположенных компьютеров, снабженных специально разработанными программами. Происходит первичная обработка изображения - приведение его к монохромному виду. После чего осуществляется синтез мнимого растра и определение центров светлых полос объектного растра и центров темных полос мнимого растра, их наложение и определение муаровой картины. В визуальных приборах обработку информации производит оператор. Установочное устройство предназначается для перемещения отдельных узлов измерительного прибора относительно друг друга. Оно состоит из направляющих, передаточного механизма и привода. Основные требования к установочным устройствам - чувствительность, точность и отсутствие значительного трения. В измерительных приборах используются специальные направляющие прямолинейного и вращательного движения. Установочное устройство функционально связано с тем узлом, которому придано рабочее смещение. Таким узлом может быть объект, изображающая система, анализатор изображения, система наведения в целом, отсчетное устройство.

Отсчетное устройство предназначено для получения отсчета (то есть определения по внутреннему эталону измерительного прибора числа, соответствующего выполненному наведению на объект), передачи отсчета на вход устройства обработки информации и его регистрации. Для отчётных устройств характерны узлы, развертывающие шкалу прибора для определения её дробных частей. Развертывающие узлы делятся на механические, оптико-механические и оптические. В оптико-механических развертывающих узлах выполняется операция наведения на штрих основной шкалы, аналогичная наведению на объект, поэтому отсчетные системы можно рассматривать как "прибор в приборе" со своими устройствами подсветки и наведения. Управляющее устройство измерительного прибора предназначено для управления всем процессом измерения, от настройки прибора до получения результата измерения. Процесс измерения представляет собой последовательность перемещений, которые, как было сказано, можно разделить на настроечные и рабочие. Конструктивно управляющее устройство может быть совмещено с устройством обработки информации, например - компьютером. [5]

Список литературы

1. Сухарев И.П., Ушаков Б.Н. Исследование деформаций и напряжений методом муаровых полос.- М.: Машиностроение

2. Пригоровский Н.И. Методы и средства определения полей деформаций и напряжений. М.: Машиностроение, 1983.

3. Шнейдерович Р.М., Левин О.А. Измерение полей пластических деформаций методом муара. М., «Машиностроение», 1972

4. Попов А. М.. Разработка и совершенствование методов муаровых полос для исследования деформированного состояния элементов конструкций

5. Кирилловский В. К. ОПТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ. Часть 3. Функциональная схема прибора оптических измерений. Типовые узлы. Оптические измерения геометрических аметров. Санкт-Петербург. 2005.

Размещено на Allbest.ru