2-4_vardanyan_sopromat1995 (772708), страница 83
Текст из файла (страница 83)
Теперь рассмотрим случай, когда освещение и наблюдение осуществляются в силовой плоскости Оху (рис. 23.14). Учитывая, что в этом случае и„=90', их=О, и =О, и, кроме того. Рик. 23.13 541 ч ч Ь=п — (о,+о )=п — (о,+ов). Е Е (23.26) и) Рис. 23Л4 Л,=ао,+Ьох;( Ь,=ао,+Ьо,.) (23.27) откуда и=-М).. 1 2 (23.24) й 23.5. Спекл-фотография 543 приняв и - О, (поскольку и <( а), согласно (23.21) получим оптическую разность хода Л = %2.= и(!+сов (3г). (23.23) Если направление наблюдения сдела~ь возможно ближе к нормали поверхности ((3,=0), уравнение (23.23) примет вид Л=Ж).=и(1+1)=2и, На рис. 23.14 представлена голографическая интерферограмма, соответствующая условиям регистрации рис.
23.14. Построенная по интерферограмме эпюра прогибов и согласуется с теоретической. Голографическая иятерферометрия прозрачных объектов. При исследованиях напряженно-деформированного состояния плоских прозрачных объектов, например, моделей сооружений и конструкций последние просвечиваются параллельным предметным пучком и проектируются на поверхность голографической фотопластинки с помощью объектива. В результате деформации прозрачного объекта между экспозициями оптические пути предметного пучка 2,, и соответствующие первой и второй экспозициям, изменяются на величину ~- г = а и аи о = 1У)- (23.25) Здесь Ы', Ы и и, ие — толщины и коэффициенты преломления, соответствующие деформированному и недеформированному состояниям объекта.
Для большинства материалов, не обладающих существенным двупреломлением, при нагружении можно принять п-по. Тогда равенство (23.25) принимает вид А = Ы) = п (Х вЂ” И) = и Л г7, о есть на интерферограмме образуются полосы, которые соответствуют изменению толщины плоского объекта или сумме нормальных (главных) напряжений: Эти полосы называются изоиахал4и.
Интерферограммы изопах часто используются совместно с изохромами (о, — о,) в методе фотоупругости для определения главных напряжений О„И О2. Если материал прозрачного объекта обладает большим двупреломлением (п, ~п~), методом двух экспозиций регистрируются полосы абсолютной разности хода Л, и Лз, которые связаны с главными напряжениями зависимостями Здесь а и Ь вЂ” оптические постоянные. Уравнения (23.27) позволяют по интерференционным картинам полос абсолютной разности хода, полученным при линейной поляризации предметного и опорного пучков, определить величины главных напряжений о, и ох. Голографическая интерферометрия находит широкое применение также при неразрушаютцем контроле — обнаружении дефектов материала или конструкций без нарушения целостности исследуемых объектов. Обычно цель таких исследований состоит в обнаружении местоположения и размеров трещин, пустот, непроклеев, расслоений, неоднородностей свойств материалов и т.
д. Применение голографической интерферометрии для неразрушающего контроля основывается на том, что наличие дефекта приводит к аномальной деформации поверхности исследуемого объекта при его нагружении. Для этого используются различные виды нагружения или возбуждения: непосредственное механическое нагружение давлением или вакуумом, термическое, вибрационное и др. При освещении шероховатого объекта когерентным лазерным излучением рассеянный одной из точек поверхности свет интерферирует со светом, рассеянным любой другой точкой, в результате чего возникает хаотическая интерференционная картина — спеки-структура.
Ее хаотичность обуславливается случайностью распределения фазы рассеяного света вследствие неоднородности микрорельефа шероховатой поверхности. Рис. 23Л5 Спекл-структура используется для исследований деформированного состояния в двух вариантах: спекл-фотография, когда регистрируется спекл-структура непосредственно на фотопластинке, и спекл-интерферометрия, при которой к рассеянной объектом волне добавляется (как в голографической интерферометрии) опорная волна.
Наиболее прост в реализации метод спекл-фогпографии (рис. 23.15). Объектив 3 образует освещенное лазерным пучком ! изображение шероховатой поверхности 2 в плоскости фотопластинки 4. Полученное изображение промодулировано спеклами (пятнами) (рис. 23.15,6), размер которых Ь, зависит от длины волны Х лазерного излучения, диаметра Р и фокусного расстояния 7 объектива: (23.28) Ь,ж 1,227 —. Для гелий-неоновых лазеров непрерывного излучения (Х = 0,6328 мкм) и наиболее распространенных значениях относительных отверстий объективов (ЯР=!,4-:32) размер ширины спеклов составляет 1 —:24 мкм.
В результате деформирования спекл-структура. объекта изменяется. Для определения перемещений фотопластинка экспонируется два раза — до и после деформирования. Если величина смещений превышает размер спеклов Ь„то на проявленной фотопластинке появляется пара спекл-структур, смец1енных относительно друг друга. При освещении спекл-фотографии узким (нерасширенным) лучом лазера он превращается в результате дифракции на спекл-структуре в конус с углом расхождения п = Р/7 (рис. 23.! 6, а).
В пределах освещенного пятна свет дифракционных конусов от аналогичных спеклов, смещенных в результате деформации на расстояние Ы„будет интерферировать, образуя картину, промодулированную полосами Юнга (рис. 23.! 6, б). Она представляет собой яркое Рис. 23.16 центральное пятно, образованное недифрагированным светом, которое окружено модулированной полосами картиной спеклов, образованной дифрагированным на спекл-структуре светом.
Полученная интерференционная картина содержит систему прямолинейных полос с постоянным шагом и. наклоненных под углом 0 к осн координат (рис. 23.16,6). Если полосы регистрируются на расстоянии / от спекл-фотографии, то их шаг а булез равен 21 и= с1, (23.29) При известном коэффициенте увеличения оптической системы М = ~1„,'Е смещение Е определяется из выражения Е= —. Ми (23. 30) С помощью выражения (23.30) вычисляются смещения Е. на каждом локальном участке исследуемой поверхности. Направление смешения (ось Е) перпендикулярно направлению полос. Перемещения в направлениях координатных осей определяются через у1 ол О: и=ЕсозО; ц=ЕяпО.
(23.31) !Х 3923 Пример определения перемещений консольной балки методом двухэкспозициони ой спек л-фотографии приведен на рис. 23.17. Схема регистрации аналогична эксперименту по определению перемещений методом голографической интерферометрии (рис. 23.13). Формальное отличие заключается в изменении направлений освещения и наблюдения на обратные. Принципиально то, что в случае спекл-фотографии измеряются компоненты перемещений в плоскости Оху. Но так как и((и практически получаются перемещения ь, то есть прогибы консольной балки, а не перемещения и, как это имеет место в голографической интерферометрии (рис.
23.13). 6) а) х )г„, Рис. 23.17 б, Н) й 23.6. Метод муара 54б На рис. 23.17,6 приведена эпюра прогибов консольной балки, построенная сканированием спекл-фотографии, полученной по схеме рис. 23.17,а нерасширенным лазерным лучом. Диапазон измерений перемещений с помощью спекл-фотографии зависит от размеров спеклов, параметров и увеличения оптической системы и составляет при измерениях в плоскости от 10 мкм до 2 мм, нормально к плоскости — 50 —. 600 мкм. Чувствительность спекл-фотографии определяется, в основном, размером спеклов, причем к перемещениям, нормальным к поверхности, она на порядок ниже, чем в плоскости. Применение методов спекл-фотографии и спекл-интерферометрии для исследований напряженно-деформированного состояния обусловлено преимуществами этих методов по сравнению с голографической интерферометрией: увеличение диапазона измерений, возможность выделения отдельных компонент вектора перемещений, снижение требований к разрешающей способности регистрирующей среды и когерентности источников света, простота оптических схем и пониженные требования к виброзащите установок.
Метод измерения перемещений и деформаций с помощью эффекта муара основан на возникновении темных и светлых полос в результате сложения интенсивностей световых волн при наложении друг на друга растров. Растры представляют собой семейства повторяющихся однотипных элементов †лин, точек, фигур и т. д, Наиболее широко применяются линейные растры, состоящие из системы параллельных прямых. Основным параметром линейного растра является игаг линий растра р или обратная ему величина— частота линий, которая может составлять от десятков до сотен линий на миллиметр.
Возникающие при контактном (механиче- ском) нли дистанционном (он тическом) наложении растров муаровые полосы являю>СИ геоме! рическими линиями равных -.:=-,=МФ-"~=:.=~ -=~~-::~Я церемегцений и характеризую г-:--~=~)'-'фф~Г~.=---)-' ся гине>хи нгхггн ). фя4ф ==. -=~ч~~йгф=:. =.:=.-В~Ф Природу муаровых полос . -'- ~: —.~=-'~~.:-=~МУ:==' рассмо грим на нгн!бо )ес 1!ростом случае наложения под нс- =::-:====- ~ ' ~ =-.='==: =,е КОН)РЫМ ))ЛОМ ДВУХ Г)ГГИНаКО- Ь 4 й вых ли Вейн ьгх рас гров. сос гояРягл 25 1К щнх из черных н белых и„- рачлсльных нг лос равной ширины 1рнс, 3.!)>). 11ри на !Ожении г>.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
