Работу выполнил:
Калинин Евгений
11 класс
гимназия 2 г.Ярославля

Введение

В инженерной практике существует множество задач, связанных с определением реальной жесткости, прочности, а так же динамических свойств сложных конструкционных элементов механизмов машин и приборов.

Например: определение необходимой прочности крыла самолёта (рис.1), исследование воздействия механических вибраций на лопатки турбины (рис.2), расчёт прочности железобетонных балок для строительства наземных сооружений (рис.3), подсоединение провода к мембране микрофона при наименьшем влиянии его на передачу звука.

Рис.1	Рис.2	Рис.3

Целью настоящей работы является разработка простой и надежной конструкции испытательного стенда для исследования динамических характеристик узлов и деталей методом голографической интерферометрии в реальном времени.

Голография - это способ регистрации сложных волновых процессов, будь-то звуковые, радио или оптические электромагнитные волны.

Голографическая интерферометрия - это способ исследования картины интерференции когерентных волновых фронтов. Методы голографической интерферометрии достаточно хорошо исследованы и используются на практике [1]. В настоящей работе автор предлагает использовать метод голографической интерферометрии в реальном времени, который заключается в следующем.

Метод голографической интерферометрии.

Используя метод внеосевой голографии, можно получать трёхмерные изображения диффузно отражающих объектов. Если после фотохимической обработки голограммы поместить ее на прежнее место в схему регистрации, то можно наблюдать и голографическое изображение, и сам объект одновременно. Если какой-либо участок поверхности объекта, находящегося в схеме регистрации изменит форму, картины восстановленного и реального изображений объекта будут промодулированы интерференционными полосами. Распределение освещённости, создаваемое волновым фронтом, имеет вид:

I(x, y)=2|a(x, y)|2[1+cos(x, y)],

где

2|a(x, y)|2

соответствует интенсивности света, идущего от объекта, а выражение

[1+cos(x, y)]

описывает интерференционные полосы, где

(x, y) - изменение оптической фазы из-за изменения положения объекта после экспонирования.

Присутствие интерференционных полос на изображении объекта говорит о том, что объект испытал деформацию, смещение или вращение. Аналогично в случае прозрачных объектов может быть получена интерференционная картина, свидетельствующая об изменениях показателя преломления или толщины объекта.

Интерферометрия в реальном времени возможна благодаря тому, что голографический метод позволяет зарегистрировать волну, рассеянную объектом в исходном состоянии и наложить на нее волну, отраженную от того же объекта после деформации. Итак, под голографической интерфереметрией мы будем понимать интерферометрическое сравнение двух волн, одна из которых восстановлена голографическим способом. Результат сложения двух таких волн мы будем называть голографической интерферограммой.

РГолографическая интерферометрия в реальном времени во многих случаях является эффективным и единственно возможным методом исследования. В основе этого лежат следующие ключевые свойства:

1. Высокая информативность. Информативность голограммы может быть столь высокой, что обеспечивает запись и восстановление с высокой достоверностью тонких деталей световой волны сложной формы. Именно это свойство позволяет исследовать с помощью интерферометрического метода трёхмерные, диффузно отражающие объекты.
2. Разделение амплитуды во времени. Это означает, что образующие интерферограмму волны проходят по абсолютно одному и томуже пути в пространстве, но в различные моменты времени. Это свойство особенно важно для интерферометрии прозрачных сред, поскольку позволяет изготавливать окна камеры с исследуемым объектом и другие оптические элементы из материала сравнительно низкого оптического качества.
3. Непрерывная запись событий. Это свойство исключительно важно для изучения быстро протекающих событий. Голографические интерферограммы можно зафиксировать при помощи видеокамеры, а затем изучать их при воспроизвении. Юстировка и фокусировка оптических элементов схемы, а также фотографическая регистрация интерферограмм могут производиться с этим же источником непрерывного действия, что облегчает выполнение экспирементальной работы.
4. Временная фильтрация. Это свойство позволяет формировать интерферограммы, выявляющие изменение во времени какой-либо одной частоты компоненты волны. Наиболее известным примером здесь является метод усреднения во времени, используемый для изучения механических вибраций. При этом результирующая интерференционная картина усредняется при длительной экспозиции процесса.

Интерферометрия во встречных пучках. (рис.7)

Наша система состоит из голографической пластины и объекта, которые жёстко закреплены на платформе. Лазерным лучом освещаем объект через прозрачную фотопластину. Устройство работает следующим образом: после снятия голограммы снимаем и проявляем фотопластину, после чего устанавливаем её на прежнее место с высокой точностью (до "Л/8", где Л - длина волны лазера). В результате мы можем наблюдать в когерентном свете одновременно изображение реального объекта и изображение, восстановленное голограммой. Если реальный объект деформирован, то мы увидим интерференционную картину соответствующую полю деформации.

Рис.7

Но данная схема (Денисюка) имеет следующий недостаток: при записи объекта на голограмму записывается и длина волны лазера. При проявлении происходит усадка эмульсии, то есть при восстановлении изображения нам потребуется лазер с другой длинной волны.

Схема Лейта лишена этого недостатка. Она отличается только направлением опорного пучка относительно объекта и фотопластины (направляется на пластину стой же стороны что и отраженный от объекта свет), при этом чувствительность голограммы к усадке эмульсии будет минимальной. Но и у схемы Лейта также есть недостаток, заключающийся в слишком большом расстоянии от объекта до фотопластины, что повлечет за собой необходимость увеличения жесткости фиксации всех элементов оптической системы и очень точной установке фотопластины на место после проявления.

Интерферометрия в попутных пучках с использованием локального опорного пучка фурье-голограммы. (Рис. 8.)

Как решить проблему точной установки голограммы после ее фотохимической обработки и уменьшить требования к жесткости всей конструкции стенда? Мы предлагаем установить зеркало формирования опорного пучка непосредственно на объект исследования (рис.8). Это позволит скомпенсировать сдвиг фазы опорного пучка от деформаций оптической схемы регистрации голограммы.

А если мы применим не плоское, а сферическое зеркало то это позволит нам устанавливать голограмму на исходное место с меньшей точностью, что значительно облегчает задачу.

Рис.8

Дело в том, что Фурье-голограмма обладает очень полезным свойством - восстановленное голографическое изображение объекта жестко привязано к плоскости восстанавливающего источника. Если проявленная голограмма устанавливается по базовым поверхностям с небольшим смещением, голографическое изображение остается как бы привязанным к восстанавливающему источнику. Необходимо учесть, что поворот голограммы относительно оси, перпендикулярной к ее поверхности при этом не компенсируется. Следовательно, необходимо точно фиксировать этот параметр за счет большого расстояния между базовыми поверхностями.

Описание конструкции стенда и принципа работы его элементов.

Известны различные схемы интерферометрии в реальном времени, однако, все они требуют точной установки голограммы на прежнее место после фотохимической обработки. Существует способ фотохимической обработки голограммы на месте регистрации, который позволяет без дополнительной юстировки проводить измерения. Однако, все существующие способы сложны и требуют высокой квалификации экспериментаторов. Автор предлагает конструкцию оснастки для реализации метода голографической интерферометрии в режиме реального времени, которая автоматически обеспечивает точное совмещение голографического и реального изображений исследуемого объекта после регистрации и фотохимической обработки голограммы.

Предложенную схему можно использовать для решения обширного спектра задач, например: определение влияния внешних факторов на объект (оптимальное подсоединение провода к мембране микрофона, при наименьшем влиянии его на передачу звука; исследование воздействия механической силы на турбинную лопатку и т.д.).

Наша задача заключается в разработке компактной и достаточно универсальной конструкции для проведения интерферометрических измерений деформаций в реальном времени.

Мы предлагаем следующее решение поставленной задачи:

Кассета с фотопластиной (1) и исследуемый объект (2) жёстко установлены на единой платформе (рис.5). Кассета (1) (см. рис.6) представляет собой металлическую конструкцию, которая крепится при помощи трёх шаровых опор (2) на жестко закрепленную относительно базовой платформы рамку (3), что позволяет после проявки голограммы в кассете установить ее на прежнее место с достаточно высокой точностью.

В схеме записи голограммы (см. рис 8) исследуемого объекта используем локальный опорный пучок, который формируется сферическим выпуклым зеркалом (4), закрепленным непосредственно на исследуемом объекте (2). Подобное решение позволяет получить псевдо-фурье-голограмму исследуемой поверхности, что с одной стороны обеспечивает снижение требований к точности установки голограммы после фотохимической обработки примерно на порядок и позволяет сразу иметь координату точки отсчета деформаций исследуемой поверхности, совпадающую с положением точки крепления сферического зеркала опорного пучка. Дело в том, что перемещение сферического зеркала, жестко связанного с исследуемым объектом, как бы компенсирует фазовый сдвиг волнового фронта деформированного объекта на величину перемещения точки крепления зеркала.

Рис.5	Рис.6

Описание оптической схемы и процесса регистрации голографического изображения исследуемого объекта.

На исследуемый предмет устанавливаем сферическое зеркало. Лазерным лучом освещаем объект. Отражённый от объекта свет идёт на запись голографического изображения, а пучок света, отражённый от зеркала, является опорным пучком. После записи голограммы проявляем фотопластину, после чего устанавливаем её на прежнее место.

Затем нагружаем объект. При наблюдении объекта через голографическую пластину мы видим интерференционную картину, соответствующую полю деформации. Далее при помощи видеокамеры и платы видеоввода передаём это изображение на компьютер, который позволяет с высокой производительностью расшифровать интерферограмму с помощью программы.

Конструкция крепления кассеты с фотопластиной.

Держатель объекта и кассета представляют собой компактный модуль. При этом предлагаемая конструкция установки кассеты позволяет всегда фиксировать ее относительно держателя объекта с очень высокой точностью по поверхностям базовых шаровых опор и направляющих призматических пазов на кассете (принцип базирования поверхности по 6 точкам: 3 точки определяют положение поверхности кассеты, а остальные 3 точки фиксируют перемещение плоскости кассеты параллельно самой себе (рис.6).

Это позволяет устанавливать кассету после её проявления на исходное место с необходимой нам точностью.

Описание эксперимента.

Для того, что бы провести экспериментальную проверку эффективности предложенного метода, автор воспользовался голографической установкой УИГ-2М лаборатории когерентных исследований Ярославского Государственного педагогического университета им. Ушинского.

Использованное оборудование и материалы:

• кассета из нержавеющей стали,
• рейторы,
• оснастка для крепления кассеты,
• гелий-неоновый лазер ЛГ 222,
• стол виброизолированный,
• пинхол,
• зеркала формирования оптической схемы,
• фотопластины ПФГ-03М,
• проявитель ГП-2,
• клей циакриновый,
• отбеливатель CuCl2 .

В качестве исследуемого деформируемого объекта использовалась матовая алюминиевая пластина (см. рис.9) толщиной 6 мм.

Рис.9

Крепление пластины (1) к рамке (2) - консольное по всему периметру с помощью циакринового клея. С обратной стороны алюминиевой пластины установлен нагрузочный микрометрический винт (3).

После регистрации объекта в исходном положении фотопластину проявили не вынимая из кассеты и установили на прежнее место по базовым поверхностям. С помощью видеокамеры регистрировали интерыеренционную картину деформации пластины при нагружении ее с помощью микрометрического винта.

На Рис.10 изображение интерференционной картины, полученной в результате деформации пластины в реальном времени.

Рис.10

Выводы.

В результате испытаний разработанной конструкции оснастки для голографической интерферометрии в режиме реального времени были получены прогнозируемые результаты. При многократной переустановке кассеты с голограммой в схему регистрации, (с исследуемым объектом в исходном состоянии) интерференционные полосы не наблюдались, что соответствовало оптимальной настройке схемы интерферометра.

Разработанный метод и оснастку можно использовать для исследования механических свойств сложных конструкций при воздействии на них динамических и статических нагрузок.