eng
Выпуск #3/2008
О.Шанин.
Лазерный спекл-интерферометр для оценки качества цилиндрических резонаторов
Лазерный спекл-интерферометр для оценки качества цилиндрических резонаторов
Просмотры: 3320
В авиационно-космическом приборостроении широкое применение находят частотные датчики давления с цифровым выходом. Чувствительный элемент датчика – тонкостенная цилиндрическая оболочка-резонатор [1], от качества ее изготовления в первую очередь зависят точностные характеристики датчиков. Для экспресс-методов контроля качества наиболее эффективно использовать не голографическую [2], а электронную спекл-интерферометрию.
Практика применения голографической интерферометрии для контроля качества резонаторов, однако, имеет определенные недостатки: необходимость создания фактически лабораторных условий, громоздкость оборудования, сложность методики исследований и трудность получения результатов контроля и измерения в реальном масштабе времени.
В этой связи особого внимания заслуживают методы спекл-интерферометрии [3]. Среди них для экспресс-анализа цилиндрических резонаторов особенно интересны методы электронной спекл-интерферометрии. Они дают возможность наблюдать (практически в реальном времени) интерференционную картину колеблющегося объекта на экране телемонитора, минуя какой-то промежуточный носитель информации. Нужно отметить, что качество электронных спекл-интерферограмм (отношение сигнал/шум, уровень контраста) существенно уступает картинам, получаемым голографическими методами.
Настоящая работа посвящена особенностям разработки информационно-измерительной системы (ИИС) на базе электронной спекл-интерферометрии и получению нужного качества спекл-интерферограмм при контроле зеркально отражающей поверхности цилиндрических резонаторов в режиме экспресс-анализа.
Для использования преимуществ электронной спекл-интерферометрии и достижения нужного качества интерференционных картин, близкого к качеству голографической интерферометрии, была разработана лазерная система контроля резонаторов, основанная на анализе спекл-интерферограмм собственных колебаний резонаторов [4]. Основа системы контроля – электронный корреляционный спекл-интерферометр, интерференционная картина в котором формируется в памяти компьютера системы, связанного с видеокамерой, установленной в выходном плече интерферометра.
Структурная схема интерферометра
Структурная схема электронного спекл-интерферометра с компьютерной (ПК) регистрацией интерферограмм, контролирующего резонаторы путем наблюдения форм колебаний их собственных частот, показана на рис.1.
Интерферометр имеет: источник когерентного излучения – лазер (1); светоделитель (2), делящий лазерный луч на две равные части; два зеркала (3) и (4) с коэффициентом отражения, близким к 1; короткофокусную линзу (5) для формирования опорной световой волны; коллиматор (6) из двух линз с совмещенными фокусами для формирования излучения предметного тракта; нейтральный ослабитель света (7) для подбора отношения интенсивностей предметного и опорного трактов; диффузное стекло (8) с шероховатой поверхностью для формирования на поверхности цилиндрического резонатора требуемых спеклов; полупрозрачное зеркало (9) c коэффициентом отражения 0,5 для направления световой волны опорного тракта и света, отраженного от поверхности резонатора, на фоторегистратор; коническое кольцевое зеркало (10) подсветки с углом 90° при вершине конуса. Кроме того интерферометр имеет узел (11) для крепления цилиндрического резонатора (12), сопряженный с основанием меньшего диаметра кольцевого зеркала (10). При этом геометрическая ось резонатора совмещена с оптической осью кольцевого зеркала. Для того чтобы освещать всю поверхность резонатора (12), размер основания конического зеркала (10), имеющего больший диаметр (Dmax), должен удовлетворять условию:
Dmax ≥ d + 2 ⋅ l,
где d – диаметр, а l – длина резонатора.
Для регистрации интерферограмм используется видеокамера (13). Электрическая часть (14) системы контроля содержит автогенератор, частотомер и контрольно-измерительные приборы. Цилиндрический резонатор (12) имеет расположенные внутри него две электромагнитные катушки (возбуждения и съема данных) с полюсами, развернутыми на 90° относительно друг друга. При этом катушка возбуждения резонатора включена в цепь положительной обратной связи автогенератора для возбуждения колебаний на резонансной частоте в режиме автогенерации.
Для регистрации, обработки и отображения получаемой интерферограммы (кроме видеокамеры 13) используются ПК (16) и монитор (17).
Описание работы интерферометра
ИИС работает так. В резонаторе (12) на основной частоте возбуждаются собственные колебания (частота и форма сигнала возбуждения при этом контролируются приборами электрической части 14). Затем резонатор освещается лучом лазера (1), отраженным от делителя света (2) и прошедшим через коллиматор (6), диффузное стекло (8) и полупрозрачное зеркало (9). Диффузное стекло (8) создает спекл-структуру освещения зеркальной поверхности резонатора. Полученный параллельный пучок света поступает на коническое кольцевое зеркало подсветки (10), а затем на поверхность резонатора, освещая его поверхность пространственно во всем диапазоне (0–360°). Отраженный от поверхности резонатора (12) свет возвращается на коническое зеркало (10), имеющее угол при вершине конуса 90°, которое направляет его с тем же самым световым диаметром на полупрозрачное зеркало (9), а далее он поступает на видеокамеру (13). Сюда же поступает световой пучок опорного тракта, сформированный оптическими элементами (3–5–7–4). В результате взаимодействия опорной световой волны со световым распределением, сформированным изображением поверхности резонатора, отображаемым в зеркале (10), возникает интерферограмма механических колебаний поверхности исследуемого резонатора, фиксируемая светочувствительным элементом видеокамеры. Она несет в себе информацию о распределении амплитуд и фаз, узлов и пучностей собственных колебаний поверхности резонатора, представляя их совокупностью интерференционных полос. Рассеянное резонатором излучение вводится видеокамерой в ПК.
На экране видеомонитора наблюдается сфокусированное спекл-изображение конического зеркала с резонатором, которое складывается с однородным фоном, образованным опорным пучком. Объектив видеокамеры диафрагмируется до величины F = 18–22, позволяющей на экране монитора различать отдельные спеклы приемлемых размеров (~15 мкм). Это можно осуществить, например, с помощью видеокамер типа BOSCH TYC 9A, которые обеспечивают ввод 625×525 точек изображения с 256 градациями яркости.
Если резонатор колеблется на одной из основных частот, то усредненное по времени ввода кадра распределение интенсивности описывается выражением [3]
Iи(x,y)=K[<Iо(x,y)>+<Iп(x,y)>+2(<Iо(x,y)>×
<Iп(x,y)>)1/2×J02{(4π/λ)⋅A(x,y)⋅cos[Θо(x,y)-Θп(x,y)]}], (1)
где K – постоянный коэффициент, зависящий от параметров видеокамеры и системы ввода изображения в ПК; <Iо> и <Iп> – усредненные интенсивности опорного и предметного пучков в точке изображения объекта с экранными координатами (x,y); J0 – функция Бесселя первого рода нулевого порядка; A – амплитуда колебаний точки объекта; λ – длина волны излучения лазера; Θо и Θп – фазы опорного пучка и спекла во входной плоскости видеокамеры, соответственно.
Интенсивность спеклов в наблюдаемом изображении меняется в соответствии с изменением функции Бесселя J0 в зависимости от амплитуды колебания резонатора. Однако контраст их достаточно низок, поэтому спеклы заметны лишь в областях изображения, близких к узловым линиям, где функция J0 ≈ 1. Сказанное подтверждается рис.2, где представлены полученные голографическая и спекл-интерферограммы одного и того же резонатора на основной частоте колебаний. На рис.2б видно, как за счет конусного зеркала преобразуется форма колебаний.
Улучшение контраста спекл-интерферограмм
Низкий контраст спекл-интерферограмм – одна из основных проблем при создании измерительных средств на базе спекл-интерферометрии. В существующих схемах спекл-интерферометров этот контраст определяется случайными скачками фаз спеклов, неоднородностью характеристик поверхности объекта, параметрами видеокамеры и спекл-шумами опорного тракта. Все это в итоге осложняет обработку спекл-интерферограмм и снижает объективность результатов дефектоскопии и анализа напряженно-деформированного состояния исследуемого объекта. Для решения этих проблем есть два пути: алгоритмический, связанный с надлежащим синтезом спекл-интерферограмм, и аппаратурный, связанный с оптимизацией схем построения интерферометров [3]. В разработанной ИИС использованы оба пути. Нужный результат достигнут путем включения в схему регулируемых диафрагм и фазосдвигающего элемента (15).
Для получения контрастной интерференционной картины изображение спекл-интерферограммы, соответствующее выражению (1), заносится в память ПК. Фаза опорного пучка сдвигается элементом (15) на 180°. На экране монитора при этом наблюдается второе изображение, аналогичное первому, но на месте "светлых" спеклов размещаются "темные" и наоборот. Это второе изображение вычитается по модулю из первого, хранящегося в ПК. В результате на экране монитора наблюдается контрастное изображение интерференционной картины:
Iп(x,y)=4K[(<Iо(x,y)>⋅<Iп(x,y)>)1/2×
J02{(4π/λ)⋅A(x,y)⋅cos[Θо(x,y)-Θп(x,y)]}]. (2)
Из (2) видно, что интерференционные полосы аналогичны полосам, наблюдаемым по голографической интерферограмме [3].
На рис.3 приведена одна из полученных (с помощью разработанной ИИС) спекл-интерферограмм колеблющегося на рабочей частоте резонатора. На ней видны достаточно четкие интерференционные полосы, которые различаются даже в пучностях форм колебаний.
Для дальнейшего улучшения контраста спекл-интерферограмм применялся пятишаговый фазосдвигающий алгоритм синтеза спекл-интерферограмм [5] с подбором максимального коэффициента видности [3] за счет помещения регулируемой диафрагмы в фокус оптической системы видеокамеры [6]. Эти методы решения проблемы дали положительные результаты.
Используя существующую процедуру обработки интерферограмм, можно из интерференционной картины извлечь данные об амплитуде колебаний каждой точки поверхности резонатора, а по изменению формы интерференционных полос – дефекты различного вида: неравномерность толщины стенки в радиальном и осевом направлениях, вмятины, неоднородные включения и другие дефекты. Весь процесс получения информации при этом существенно упрощается, так как интерферограмма формируется и хранится непосредственно в ПК и не нужно восстанавливать и вводить изображения, что позволяет проводить оценку качества резонаторов в реальном времени.
Литература
1. Вульвет Дж. Датчики в цифровых системах / Под ред. А.С.Яроменка. – М.: Энергоиздат, 1981. – 200с.
2. Суминов В.М., Панфилова Е.Е., Шанин В.И. Интерференционно-голографический контроль резонаторов частотных датчиков давления. – Дефектоскопия, 1983, № 9, с.91.
3. Джоунс Р., Уайкс К. Голографическая и спекл-интерферометрия. – М.: Мир, 1980. – 328с.
4. Шанин В.И., Шанин О.В., Кравцов В.Г. Устройство для определения годности цилиндрических резонаторов частотных датчиков давления. – Патент РФ № 2245527, 2005. Бюл. № 3.
5. Шанин В.И., Шанин О.В. К вопросу повышения контраста спекл-интерферограмм при решении задач контроля. – Науч. труды МАТИ. Вып.9 (81). – М.: ИЦ МАТИ, 2005, c.136.
6. Шанин В.И., Шанин О.В., Кравцов В.Г. Устройство для определения годности цилиндрических резонаторов частотных датчиков давления. – Патент РФ № 2315963, 2008. Бюл. № 3.
В этой связи особого внимания заслуживают методы спекл-интерферометрии [3]. Среди них для экспресс-анализа цилиндрических резонаторов особенно интересны методы электронной спекл-интерферометрии. Они дают возможность наблюдать (практически в реальном времени) интерференционную картину колеблющегося объекта на экране телемонитора, минуя какой-то промежуточный носитель информации. Нужно отметить, что качество электронных спекл-интерферограмм (отношение сигнал/шум, уровень контраста) существенно уступает картинам, получаемым голографическими методами.
Настоящая работа посвящена особенностям разработки информационно-измерительной системы (ИИС) на базе электронной спекл-интерферометрии и получению нужного качества спекл-интерферограмм при контроле зеркально отражающей поверхности цилиндрических резонаторов в режиме экспресс-анализа.
Для использования преимуществ электронной спекл-интерферометрии и достижения нужного качества интерференционных картин, близкого к качеству голографической интерферометрии, была разработана лазерная система контроля резонаторов, основанная на анализе спекл-интерферограмм собственных колебаний резонаторов [4]. Основа системы контроля – электронный корреляционный спекл-интерферометр, интерференционная картина в котором формируется в памяти компьютера системы, связанного с видеокамерой, установленной в выходном плече интерферометра.
Структурная схема интерферометра
Структурная схема электронного спекл-интерферометра с компьютерной (ПК) регистрацией интерферограмм, контролирующего резонаторы путем наблюдения форм колебаний их собственных частот, показана на рис.1.
Интерферометр имеет: источник когерентного излучения – лазер (1); светоделитель (2), делящий лазерный луч на две равные части; два зеркала (3) и (4) с коэффициентом отражения, близким к 1; короткофокусную линзу (5) для формирования опорной световой волны; коллиматор (6) из двух линз с совмещенными фокусами для формирования излучения предметного тракта; нейтральный ослабитель света (7) для подбора отношения интенсивностей предметного и опорного трактов; диффузное стекло (8) с шероховатой поверхностью для формирования на поверхности цилиндрического резонатора требуемых спеклов; полупрозрачное зеркало (9) c коэффициентом отражения 0,5 для направления световой волны опорного тракта и света, отраженного от поверхности резонатора, на фоторегистратор; коническое кольцевое зеркало (10) подсветки с углом 90° при вершине конуса. Кроме того интерферометр имеет узел (11) для крепления цилиндрического резонатора (12), сопряженный с основанием меньшего диаметра кольцевого зеркала (10). При этом геометрическая ось резонатора совмещена с оптической осью кольцевого зеркала. Для того чтобы освещать всю поверхность резонатора (12), размер основания конического зеркала (10), имеющего больший диаметр (Dmax), должен удовлетворять условию:
Dmax ≥ d + 2 ⋅ l,
где d – диаметр, а l – длина резонатора.
Для регистрации интерферограмм используется видеокамера (13). Электрическая часть (14) системы контроля содержит автогенератор, частотомер и контрольно-измерительные приборы. Цилиндрический резонатор (12) имеет расположенные внутри него две электромагнитные катушки (возбуждения и съема данных) с полюсами, развернутыми на 90° относительно друг друга. При этом катушка возбуждения резонатора включена в цепь положительной обратной связи автогенератора для возбуждения колебаний на резонансной частоте в режиме автогенерации.
Для регистрации, обработки и отображения получаемой интерферограммы (кроме видеокамеры 13) используются ПК (16) и монитор (17).
Описание работы интерферометра
ИИС работает так. В резонаторе (12) на основной частоте возбуждаются собственные колебания (частота и форма сигнала возбуждения при этом контролируются приборами электрической части 14). Затем резонатор освещается лучом лазера (1), отраженным от делителя света (2) и прошедшим через коллиматор (6), диффузное стекло (8) и полупрозрачное зеркало (9). Диффузное стекло (8) создает спекл-структуру освещения зеркальной поверхности резонатора. Полученный параллельный пучок света поступает на коническое кольцевое зеркало подсветки (10), а затем на поверхность резонатора, освещая его поверхность пространственно во всем диапазоне (0–360°). Отраженный от поверхности резонатора (12) свет возвращается на коническое зеркало (10), имеющее угол при вершине конуса 90°, которое направляет его с тем же самым световым диаметром на полупрозрачное зеркало (9), а далее он поступает на видеокамеру (13). Сюда же поступает световой пучок опорного тракта, сформированный оптическими элементами (3–5–7–4). В результате взаимодействия опорной световой волны со световым распределением, сформированным изображением поверхности резонатора, отображаемым в зеркале (10), возникает интерферограмма механических колебаний поверхности исследуемого резонатора, фиксируемая светочувствительным элементом видеокамеры. Она несет в себе информацию о распределении амплитуд и фаз, узлов и пучностей собственных колебаний поверхности резонатора, представляя их совокупностью интерференционных полос. Рассеянное резонатором излучение вводится видеокамерой в ПК.
На экране видеомонитора наблюдается сфокусированное спекл-изображение конического зеркала с резонатором, которое складывается с однородным фоном, образованным опорным пучком. Объектив видеокамеры диафрагмируется до величины F = 18–22, позволяющей на экране монитора различать отдельные спеклы приемлемых размеров (~15 мкм). Это можно осуществить, например, с помощью видеокамер типа BOSCH TYC 9A, которые обеспечивают ввод 625×525 точек изображения с 256 градациями яркости.
Если резонатор колеблется на одной из основных частот, то усредненное по времени ввода кадра распределение интенсивности описывается выражением [3]
Iи(x,y)=K[<Iо(x,y)>+<Iп(x,y)>+2(<Iо(x,y)>×
<Iп(x,y)>)1/2×J02{(4π/λ)⋅A(x,y)⋅cos[Θо(x,y)-Θп(x,y)]}], (1)
где K – постоянный коэффициент, зависящий от параметров видеокамеры и системы ввода изображения в ПК; <Iо> и <Iп> – усредненные интенсивности опорного и предметного пучков в точке изображения объекта с экранными координатами (x,y); J0 – функция Бесселя первого рода нулевого порядка; A – амплитуда колебаний точки объекта; λ – длина волны излучения лазера; Θо и Θп – фазы опорного пучка и спекла во входной плоскости видеокамеры, соответственно.
Интенсивность спеклов в наблюдаемом изображении меняется в соответствии с изменением функции Бесселя J0 в зависимости от амплитуды колебания резонатора. Однако контраст их достаточно низок, поэтому спеклы заметны лишь в областях изображения, близких к узловым линиям, где функция J0 ≈ 1. Сказанное подтверждается рис.2, где представлены полученные голографическая и спекл-интерферограммы одного и того же резонатора на основной частоте колебаний. На рис.2б видно, как за счет конусного зеркала преобразуется форма колебаний.
Улучшение контраста спекл-интерферограмм
Низкий контраст спекл-интерферограмм – одна из основных проблем при создании измерительных средств на базе спекл-интерферометрии. В существующих схемах спекл-интерферометров этот контраст определяется случайными скачками фаз спеклов, неоднородностью характеристик поверхности объекта, параметрами видеокамеры и спекл-шумами опорного тракта. Все это в итоге осложняет обработку спекл-интерферограмм и снижает объективность результатов дефектоскопии и анализа напряженно-деформированного состояния исследуемого объекта. Для решения этих проблем есть два пути: алгоритмический, связанный с надлежащим синтезом спекл-интерферограмм, и аппаратурный, связанный с оптимизацией схем построения интерферометров [3]. В разработанной ИИС использованы оба пути. Нужный результат достигнут путем включения в схему регулируемых диафрагм и фазосдвигающего элемента (15).
Для получения контрастной интерференционной картины изображение спекл-интерферограммы, соответствующее выражению (1), заносится в память ПК. Фаза опорного пучка сдвигается элементом (15) на 180°. На экране монитора при этом наблюдается второе изображение, аналогичное первому, но на месте "светлых" спеклов размещаются "темные" и наоборот. Это второе изображение вычитается по модулю из первого, хранящегося в ПК. В результате на экране монитора наблюдается контрастное изображение интерференционной картины:
Iп(x,y)=4K[(<Iо(x,y)>⋅<Iп(x,y)>)1/2×
J02{(4π/λ)⋅A(x,y)⋅cos[Θо(x,y)-Θп(x,y)]}]. (2)
Из (2) видно, что интерференционные полосы аналогичны полосам, наблюдаемым по голографической интерферограмме [3].
На рис.3 приведена одна из полученных (с помощью разработанной ИИС) спекл-интерферограмм колеблющегося на рабочей частоте резонатора. На ней видны достаточно четкие интерференционные полосы, которые различаются даже в пучностях форм колебаний.
Для дальнейшего улучшения контраста спекл-интерферограмм применялся пятишаговый фазосдвигающий алгоритм синтеза спекл-интерферограмм [5] с подбором максимального коэффициента видности [3] за счет помещения регулируемой диафрагмы в фокус оптической системы видеокамеры [6]. Эти методы решения проблемы дали положительные результаты.
Используя существующую процедуру обработки интерферограмм, можно из интерференционной картины извлечь данные об амплитуде колебаний каждой точки поверхности резонатора, а по изменению формы интерференционных полос – дефекты различного вида: неравномерность толщины стенки в радиальном и осевом направлениях, вмятины, неоднородные включения и другие дефекты. Весь процесс получения информации при этом существенно упрощается, так как интерферограмма формируется и хранится непосредственно в ПК и не нужно восстанавливать и вводить изображения, что позволяет проводить оценку качества резонаторов в реальном времени.
Литература
1. Вульвет Дж. Датчики в цифровых системах / Под ред. А.С.Яроменка. – М.: Энергоиздат, 1981. – 200с.
2. Суминов В.М., Панфилова Е.Е., Шанин В.И. Интерференционно-голографический контроль резонаторов частотных датчиков давления. – Дефектоскопия, 1983, № 9, с.91.
3. Джоунс Р., Уайкс К. Голографическая и спекл-интерферометрия. – М.: Мир, 1980. – 328с.
4. Шанин В.И., Шанин О.В., Кравцов В.Г. Устройство для определения годности цилиндрических резонаторов частотных датчиков давления. – Патент РФ № 2245527, 2005. Бюл. № 3.
5. Шанин В.И., Шанин О.В. К вопросу повышения контраста спекл-интерферограмм при решении задач контроля. – Науч. труды МАТИ. Вып.9 (81). – М.: ИЦ МАТИ, 2005, c.136.
6. Шанин В.И., Шанин О.В., Кравцов В.Г. Устройство для определения годности цилиндрических резонаторов частотных датчиков давления. – Патент РФ № 2315963, 2008. Бюл. № 3.
Отзывы читателей
