RU153452U1

RU153452U1 - INTERFERENCE DILATOMETER

Info

Publication number: RU153452U1
Application number: RU2014142323/28U
Authority: RU
Inventors: Роберт Вениаминович Гольдштейн; Виктор Михайлович Козинцев; Александр Леонидович Попов; Сергей Иванович Солодовников; Дмитрий Анатольевич Челюбеев
Priority date: 2014-10-21
Filing date: 2014-10-21
Publication date: 2015-07-20

Abstract

Интерференционный дилатометр, содержащий лазер и установленные по ходу луча коллиматор и светоделитель и размещенные по ходу лучей от светоделителя средство регистрации интерференционной картины, исследуемый образец и формирователь опорной волны, отличающийся тем, что он содержит установленный за исследуемым образцом световозвращатель в виде призмы или зеркал.An interference dilatometer containing a laser and a collimator and a beam splitter installed along the beam and placed along the rays from the beam splitter, means for recording the interference pattern, the studied sample and the reference wave shaper, characterized in that it contains a retroreflector installed in the form of a prism or mirrors.

Description

Полезная модель относится к области исследования физических свойств материалов, в частности, определения деформаций, вызванных различными воздействиями, и может быть использована преимущественно в дилатометрии, например, для измерения коэффициента линейного расширения.The utility model relates to the field of studying the physical properties of materials, in particular, determining strains caused by various influences, and can be used mainly in dilatometry, for example, to measure the coefficient of linear expansion.

Известен интерференционный дилатометр, содержащий установленный по ходу луча источник монохроматического излучения с коллиматором, интерферометр Физо, фотоэлектрический преобразователь, модулятор с подвижным зеркалом и неподвижную диафрагму, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, неподвижная диафрагма и подвижное зеркало модулятора установлены между коллиматором и распределителем (SU 911146 [1]). Недостатком известного дилатометра является его относительно малая информативность, заключающаяся в том, что отслеживается смещение только одной поверхности образца, в то время как при нагревании происходит расширение образца по всем направлениям.Known interference dilatometer containing installed along the beam source of monochromatic radiation with a collimator, Fizeau interferometer, photoelectric converter, modulator with a moving mirror and a fixed diaphragm, characterized in that, in order to improve measurement accuracy, a fixed diaphragm and a moving mirror of the modulator are installed between the collimator and distributor (SU 911146 [1]). A disadvantage of the known dilatometer is its relatively low information content, which consists in the fact that the displacement of only one surface of the sample is monitored, while when heated, the sample expands in all directions.

Известен интерференционный дилатометр, который содержит источник света - лазер, оптическую систему для формирования параллельного пучка монохроматического света, печь-термостат, устройство для регистрации интерференционной картины, держатель образца, выполненный из материала с известным ТКЛР, интерферометр Физо (RU 2089890 [2]). Причем отражающими поверхностями интерферометра Физо являются верхний торец держателя и нижняя поверхность интерференционной пластины. Две опоры для интерференционной пластины расположены на держателе, а третьей опорой служит установленный в держателе образец. Устройство снабжено клиновидной регулировочной пластиной, используемой в качестве нижней опоры образца, с возможностью вращения вокруг своей оси и регулировки тем самым угла между нижней поверхностью интерференционной пластины и верхним торцом держателя. Недостатком известного устройства является сложность оптической схемы. Точность измерения с использованием такого устройства недостаточна, поскольку измерение основано на изменении угла между отражающими поверхностями интерферометра Физо, что не обеспечивает высокой чувствительности к линейному расширению образца, кроме того, реализуемый в нем принцип интерференционных измерений основан на определении изменения периода интерференционных полос, погрешность которого существенно зависит от качества изготовления отражающих поверхностей интерферометра. Кроме того, недостатком известного дилатометра является его относительно малая информативность, заключающаяся в том, что отслеживается смещение только одной поверхности образца, в то время как при нагревании происходит расширение образца по всем направлениям.Known interference dilatometer, which contains a light source - a laser, an optical system for forming a parallel beam of monochromatic light, an oven-thermostat, a device for recording interference patterns, a sample holder made of a material with a known TEC, Fizeau interferometer (RU 2089890 [2]). Moreover, the reflecting surfaces of the Fizeau interferometer are the upper end face of the holder and the lower surface of the interference plate. Two supports for the interference plate are located on the holder, and the third support is a sample installed in the holder. The device is equipped with a wedge-shaped adjustment plate used as the lower support of the sample, with the possibility of rotation around its axis and thereby adjusting the angle between the lower surface of the interference plate and the upper end of the holder. A disadvantage of the known device is the complexity of the optical circuit. The measurement accuracy using such a device is insufficient, since the measurement is based on a change in the angle between the reflecting surfaces of the Fizeau interferometer, which does not provide high sensitivity to linear expansion of the sample, in addition, the principle of interference measurements implemented in it is based on determining the change in the period of interference fringes, the error of which is significant depends on the manufacturing quality of the reflecting surfaces of the interferometer. In addition, the disadvantage of the known dilatometer is its relatively low information content, which consists in the fact that the displacement of only one surface of the sample is monitored, while when heated, the sample expands in all directions.

Главным недостатком этого способа является недостаточно высокая точность измерения. Основными составляющими погрешности измерения являются погрешность определения изменения длины образца (удлинения), которая тем больше, чем больше оптическая разность хода интерферирующих пучков, и погрешность измерения температуры, вклад которой в суммарную погрешность измерения пропорционален изменению разности хода интерферирующих пучков. В указанном способе разность хода интерферирующих пучков определяется длиной образца, которая должна быть достаточно велика для обеспечения необходимой чувствительности контроля.The main disadvantage of this method is the insufficiently high measurement accuracy. The main components of the measurement error are the error in determining the change in the length of the sample (elongation), which is greater, the larger the optical difference in the course of the interfering beams, and the error in the measurement of temperature, the contribution of which to the total measurement error is proportional to the change in the difference in the path of the interfering beams. In this method, the difference in the path of the interfering beams is determined by the length of the sample, which should be large enough to provide the necessary control sensitivity.

Основное ограничение, которое имеют классические дилатометры, - необходимость изготовления образцов специальной формы. Это особенно существенно в тех случаях, когда материал не поддается точной механической обработке или полировке, либо технология создания материала не позволяет получить его в достаточном объеме, в частности из-за ограничений, вносимых технологическим процессом изготовления, или если компоненты материала являются дорогостоящими. Кроме того, поскольку в некоторых типах технологий материал создается в форме изделия, возникает необходимость измерять ТКЛР непосредственно изделия, т.к. абстрактные образцы материала могут просто не существовать. Это приводит к необходимости разрабатывать методы и методики выполнения измерений, учитывающие специфику поведения таких материалов, совершенствовать существующие измерительные возможности эталонной аппаратуры, а также расширять круг материалов и объектов за счет тех, для которых измерения ТКЛР можно будет проводить с требуемой точностью (Компан Т.А. Измерительные возможности и перспективы развития дилатометрии // Мир измерений. - 2011. - №7 - С. 14-21 [3]).The main limitation that classic dilatometers have is the need to manufacture specimens of a special shape. This is especially significant in cases where the material is not amenable to precise machining or polishing, or the technology for creating the material does not allow to obtain it in sufficient volume, in particular due to restrictions introduced by the manufacturing process, or if the components of the material are expensive. In addition, since in some types of technologies the material is created in the form of the product, it becomes necessary to measure the thermal expansion coefficient of the product itself, since abstract material patterns may simply not exist. This leads to the need to develop measurement methods and techniques that take into account the specific behavior of such materials, improve the existing measuring capabilities of the reference equipment, and expand the range of materials and objects due to those for which the TEC can be carried out with the required accuracy (Kompan T.A Measuring capabilities and prospects for the development of dilatometry // World of measurements. - 2011. - No. 7 - P. 14-21 [3]).

Одно из возможных решений проблемы контроля материалов, образцов и изделий с нерегулярной поверхностью состоит в применении спекл-интерферометрии - разновидности интерференционного метода. При тепловом расширении образца интенсивность и фаза спеклов динамически изменяются, при этом изменения фазы характеризуют поле смещений поверхности образца.One of the possible solutions to the problem of controlling materials, samples and products with an irregular surface is the use of speckle interferometry - a type of interference method. During thermal expansion of the sample, the speckle intensity and phase dynamically change, and phase changes characterize the displacement field of the sample surface.

Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности является дилатометр описанный в [3] (см. фиг. 6). Интерференционный дилатометр содержит лазер, установленные по ходу луча коллиматор, светоделитель и размещенные по ходу лучей от светоделителя средство регистрации интерференционной картины, исследуемый образец и формирователь опорной волны.Closest to the claimed in its technical essence is the dilatometer described in [3] (see Fig. 6). The interference dilatometer contains a laser, a collimator installed along the beam, a beam splitter, and means for recording the interference pattern, the sample under study, and a reference wave shaper placed along the rays from the beam splitter.

Использование устройства предусматривает снятие спекл-интерферограммы поля нормальных перемещений с передней поверхности тела с отображением на экране монитора ЭВМ. При тепловом расширении образца интенсивность и фаза спеклов динамически изменяются, при этом изменения фазы характеризуют нормальное смещение поверхности образца.Using the device provides for the removal of speckle interferograms of the field of normal displacements from the front surface of the body with the display on the computer monitor screen. During thermal expansion of the sample, the speckle intensity and phase dynamically change, while phase changes characterize the normal displacement of the sample surface.

Недостатком известного дилатометра является его относительно малая информативность, заключающаяся в том, что отслеживается смещение только одной поверхности образца, в то время как при нагревании происходит расширение образца по всем направлениям.A disadvantage of the known dilatometer is its relatively low information content, which consists in the fact that the displacement of only one surface of the sample is monitored, while when heated, the sample expands in all directions.

Заявляемый интерференционный дилатометр направлен на повышение информативности за счет обеспечения возможности одновременного определения смещения нескольких поверхностей образца.The inventive interference dilatometer is aimed at increasing information content by providing the ability to simultaneously determine the displacement of several surfaces of the sample.

Указанный результат достигается тем, что интерференционный дилатометр содержит лазер и установленные по ходу луча коллиматор и светоделитель и размещенные по ходу лучей от светоделителя средство регистрации интерференционной картины, исследуемый образец и формирователь опорной волны, при этом он дополнительно он содержит установленный за исследуемым образцом световозвращатель в виде призмы или зеркал.The indicated result is achieved by the fact that the interference dilatometer contains a laser and a collimator and a beam splitter installed along the beam and placed along the rays from the beam splitter, means for recording the interference pattern, the test sample and the reference wave shaper, while it additionally contains a reflector installed behind the test sample in the form prisms or mirrors.

При помощи заявляемого дилатометра за счет наличия установленного за исследуемым образцом световозвращателя в виде призмы или зеркал, информация об изменении геометрических размеров может быть одновременно снята не только с лицевой и тыльной сторон объекта, но и с остальных доступных для наблюдения частей поверхности тела.Using the inventive dilatometer due to the presence of a retroreflector installed in the studied sample in the form of a prism or mirrors, information about changing geometric dimensions can be simultaneously taken not only from the front and back sides of the object, but also from the other parts of the body surface available for observation.

Использование устройства опирается на принцип спекл-интерферометрической регистрации малых перемещений поверхности объекта наблюдения в форме интерферометрических полос, соответствующих изолиниям этих перемещений. Плотность расположения изолиний - шаг полос - определяется длиной волны лазера спекл-интерферометра и трехмерным профилем функции распределения перемещений на поверхности наблюдения. Он обобщает спекл-интерферометрический подход к дилатометрическим измерениям на случай, когда и лицевая и тыльная поверхности тела имеют сложную геометрию и их поля перемещений при создаваемых на тело воздействиях имеют неоднородные распределения по поверхности.The use of the device is based on the principle of speckle interferometric registration of small displacements of the surface of the observation object in the form of interferometric strips corresponding to the contours of these displacements. The density of the isolines — the stripe spacing — is determined by the laser wavelength of the speckle interferometer and the three-dimensional profile of the displacement distribution function on the observation surface. He generalizes the speckle interferometric approach to dilatometric measurements in the case when both the front and back surfaces of the body have complex geometry and their displacement fields when exposed to the body have inhomogeneous surface distributions.

Сущность заявляемого интерференционного дилатометра поясняется графическими материалами и примером реализации. На фиг. 1 представлена принципиальная схема интерференционного дилатометра. На фиг. 2 представлено изображение образца в виде параллелепипеда, помещенного в установку в видимом свете (A, B - грани лицевой поверхности, C, D - грани тыльной стороны объекта, видимые через световозвращающие элементы, установленные позади него). На фиг. 3 представлено изображение спекл-интерферограммы перемещений по всем боковым граням при наклоне параллелепипеда как жесткого целого. На фиг.4 представлено изображение интерферограммы микроперемещений на боковых гранях параллелепипеда при неравномерном нагреве его верхней грани. Белыми вертикальными прямыми отмечены ребра параллелепипеда.The essence of the claimed interference dilatometer is illustrated by graphic materials and an example implementation. In FIG. 1 is a schematic diagram of an interference dilatometer. In FIG. Figure 2 shows the image of a parallelepiped-shaped sample placed in the installation in visible light (A, B are the faces of the front surface, C, D are the faces of the back side of the object, visible through retroreflective elements installed behind it). In FIG. Figure 3 shows the image of the speckle interferogram of displacements along all lateral faces when the parallelepiped is tilted as a rigid whole. Figure 4 presents the image of the interferogram of micromovement on the lateral faces of the parallelepiped with uneven heating of its upper face. The edges of the box are marked with white vertical lines.

Экспериментальная регистрация картины линий уровня малых перемещений одновременно по лицевой и тыльной сторонам объекта осуществляется с помощью спекл-интерферометра, в качестве оптической схемы которого принята модифицированная схема Майкельсона, дополненная оптическими элементами позади объекта измерения (фиг. 1). Основные элементы схемы: лазер - 1, коллиматор - 2, полупрозрачное делительное зеркало - 3, объект измерения - 4, световозвращатель - 5 в виде призмы в форме треугольного параллелепипеда из оптического стекла с внутренними посеребрянными гранями, (либо два зеркала, расположенные так, чтобы через них обеспечивалось освещение тыльной стороны объекта, в качестве которого в примере использован прямоугольный параллелепипед с боковыми гранями A, B, C, D, и отображение невидимых спереди граней C, D в участки матрицы видеокамеры, отличные от участков, в которые отображается лицевая поверхность объекта (грани A, B)), диффузно-отражающая неподвижная пластина - 6, видеокамера - 7; стрелками показаны направления лучей: сплошными стрелками показан опорный луч, двойными стрелками - предметные лучи, падающие и отражающиеся от лицевых поверхностей объекта, пунктирными - от его задних поверхностей.Experimental registration of the pattern of lines of the level of small displacements simultaneously on the front and back sides of the object is carried out using a speckle interferometer, the optical scheme of which is a modified Michelson scheme, supplemented with optical elements behind the measurement object (Fig. 1). The main elements of the circuit: laser - 1, collimator - 2, translucent dividing mirror - 3, measurement object - 4, retroreflector - 5 in the form of a prism in the form of a triangular parallelepiped made of optical glass with silver-plated internal faces (or two mirrors arranged so that through them, illumination of the back side of the object was provided, for example, in the example, a rectangular parallelepiped with side faces A, B, C, D was used, and the faces C, D, which were not visible in front, were displayed in sections of the camera’s matrix that were different from those rye displayed obverse surface of the object (faces A, B)), the diffusely-reflecting stationary plate - 6, a video camera - 7; the arrows show the directions of the rays: solid arrows show the reference beam, double arrows show object rays incident and reflected from the front surfaces of the object, dotted lines show its back surfaces.

Интерференционный дилатометр функционирует следующим образом. Излучение лазера 1 падает на коллиматор 2, формирующий расширенный параллельный луч, который, попадая на полупрозрачное зеркало 3, делится на предметные и опорные лучи. Предметные лучи, проходя через полупрозрачное зеркало 3, попадают на объект 4 и световозвращатель 5 (призма или зеркало) за ним 5. Отражая прошедшие мимо объекта лучи, призма освещает невидимую спереди поверхность объекта (грани C, D параллелепипеда). В то же время эта призма играет роль возвратного зеркала, проецируя лучи, отраженные от граней C, D, через делительное зеркало 3 в участки матрицы видеокамеры 7, отличные от участков, в которые попадают лучи, отраженные от лицевой поверхности объекта. Отраженные от объекта предметные лучи несут оптическую информацию о полях микроперемещений передних и задних поверхностей объекта.The interference dilatometer operates as follows. The radiation of the laser 1 falls on the collimator 2, forming an expanded parallel beam, which, falling on a translucent mirror 3, is divided into subject and reference rays. Object rays passing through a translucent mirror 3 fall on object 4 and a retroreflector 5 (prism or mirror) behind it 5. Reflecting the rays passing by the object, the prism illuminates the surface of the object invisible in front (facets C, D of the box). At the same time, this prism plays the role of a return mirror, projecting the rays reflected from the faces C, D through the dividing mirror 3 into the areas of the matrix of the video camera 7, different from the areas into which the rays reflected from the front surface of the object fall. The object rays reflected from the object carry optical information about the microdisplacement fields of the front and rear surfaces of the object.

Опорный луч отражается от зеркала 3, затем - от неподвижной диффузно отражающей пластины 6, вторично попадает на делительное зеркало 3 и, частично отразившись, а частично рассеявшись, - в видеокамеру 7.The reference beam is reflected from the mirror 3, then - from a stationary diffusely reflecting plate 6, secondly hits the dividing mirror 3 and, partially reflected and partially scattered, into the video camera 7.

Микроперемещения поверхностей наблюдения, происходящие после записи спеклограммы их исходного положения, проявляются в форме спекл-интерферограммы реального времени в результате покадрового вычитания матрицы исходной спекл-картины из матрицы текущего состояния. Так как на матрицу видеокамеры транслируются непересекающиеся изображения всех четырех боковых граней объекта, то в разных участках экрана монитора ЭВМ одновременно наблюдаются четыре системы интерференционных полос - от двух передних и двух задних граней объекта. Изображения мест поверхности объекта, нормальные перемещения которых отсутствовали, либо были близки целому числу длин полуволны лазерного излучения, выглядят на спекл-интерферограмме как темные полосы, а места поверхности, перемещения которых близки полуцелому числу полуволн лазера, - как светлые полосы.The microdisplacements of the observation surfaces occurring after recording the specklegram of their initial position appear in the form of a speckle interferogram of real time as a result of frame-by-frame subtraction of the matrix of the initial speckle pattern from the matrix of the current state. Since disjoint images of all four lateral faces of the object are transmitted to the video camera’s matrix, four systems of interference fringes are simultaneously observed in different parts of the computer monitor screen — from two front and two rear faces of the object. Images of the surface areas of the object, the normal displacements of which were absent, or were close to the integer number of half-wavelengths of laser radiation, appear on the speckle interferogram as dark stripes, and the locations of the surface whose displacements are close to the half-integer number of half-waves of the laser look like light stripes.

На фиг. 2 приведено изображение объекта - прямоугольного параллелепипеда высотой 5 см квадратного поперечного сечения со стороной 2,5 см в видимом свете. Лицевые грани, обращенные к источнику освещения, обозначены, как и на фиг. 1, буквами A и B. Изображения, невидимых спереди, тыльных граней C и D проецируется на матрицу видеокамеры зеркалами, установленными позади объекта.In FIG. 2 shows an image of an object - a rectangular parallelepiped with a height of 5 cm of square cross section with a side of 2.5 cm in visible light. Facial faces facing the light source are indicated, as in FIG. 1, with letters A and B. Images, invisible in front, of the rear faces of C and D are projected onto the camcorder's matrix with mirrors mounted behind the subject.

На фиг. 3 приведена спекл-интерферограмма, на которой видны перемещения по всем боковым граням параллелепипеда при его наклоне как жесткого целого. Полосы параллельны друг другу, распределены равномерно по высоте параллелепипеда. Исходя из вида интерферограммы, изображенной на фиг. 3, величина угла в наклона параллелепипеда определяется по формулеIn FIG. Figure 3 shows a speckle interferogram showing displacements along all lateral faces of the box when it is tilted as a rigid whole. The strips are parallel to each other, evenly distributed over the height of the box. Based on the type of interferogram depicted in FIG. 3, the angle in the tilt of the box is determined by the formula

где λ - длина волны лазера, N - число однотипных (темных или светлых) полос интерферограммы, H - высота параллелепипеда. В данном примере при длине волны лазерного излучения λ=0,532 мкм (в оптической схеме использовался твердотельный зеленый лазер) зарегистрированная величина угла наклона параллелепипеда составила около 11 угловых секунд.where λ is the laser wavelength, N is the number of the same (dark or light) bands of the interferogram, H is the height of the parallelepiped. In this example, when the wavelength of the laser radiation was λ = 0.532 μm (a solid-state green laser was used in the optical scheme), the parallelepiped tilt angle was about 11 arc seconds.

Другая спекл-интерферограмма, изображенная на фиг. 4, иллюстрирует процесс неравномерного температурного расширения боковой поверхности параллелепипеда при несимметричном нагреве его верхней грани. Здесь для наблюдения за непрерывностью перехода полос с одной задней грани параллелепипеда на другую зеркала позади него были установлены под углом 90°, в результате чего было совмещено отображение интерферограмм на задних гранях ценой некоторого уменьшения их масштабов. Видно, как поле перемещений поверхности тела проявляет его температурное поле.Another speckle interferogram depicted in FIG. 4, illustrates the process of uneven thermal expansion of the side surface of a parallelepiped with asymmetric heating of its upper face. Here, to observe the continuity of the transition of strips from one rear face of the parallelepiped to another, the mirrors behind it were set at an angle of 90 °, as a result of which the display of interferograms on the rear faces was combined at the cost of some reduction in their scale. It can be seen how the field of displacements of the surface of the body displays its temperature field.

В соответствии с формулой (1) для нормальных перемещений W и расположения линий уровня этих перемещений на фиг. 4 может быть произведен расчет изменений расстояний между любыми двумя точками боковой поверхности параллелепипеда. С учетом малости этих изменений в сравнении с габаритными размерами тела величина их может быть вычислена по формулеIn accordance with formula (1) for normal movements W and location of level lines of these movements in FIG. 4, changes in the distances between any two points of the side surface of the box can be calculated. Given the smallness of these changes in comparison with the overall dimensions of the body, their value can be calculated by the formula

,

где (x₁, y₁, z₁), (x₂, y₂, z₂) - исходные координаты выбранных точек, например, когда первая находится на грани A, а вторая - на грани C в декартовой системе координат с началом в одной из точек пересечения ребер параллелепипеда, а N₁ и N₂ - число зарегистрированных полос для этих точек на участках спекл-интерферограммы, соответствующих этим граням.where (x ₁ , y ₁ , z ₁ ), (x ₂ , y ₂ , z ₂ ) are the initial coordinates of the selected points, for example, when the first is on face A and the second on face C in a Cartesian coordinate system with the origin at one of the points of intersection of the edges of the parallelepiped, and N ₁ and N ₂ are the number of recorded bands for these points in the speckle interferogram sections corresponding to these faces.

Данный расчет позволяет определять изменения размеров тела с субмикронной точностью. При необходимости он может быть уточнен по алгоритму, учитывающему не только число полос, но и их расположение, описанному в патенте RU №2359221 [5]. При таком расчете точность снимаемой дилатометрической информации повышается до величин порядка 1 нм.This calculation allows us to determine changes in body size with submicron accuracy. If necessary, it can be refined by an algorithm that takes into account not only the number of bands, but also their location, described in patent RU No. 2359221 [5]. With this calculation, the accuracy of the dilatometric information taken is increased to values of the order of 1 nm.

Claims

An interference dilatometer containing a laser and a collimator and a beam splitter installed along the beam and placed along the rays from the beam splitter, means for recording the interference pattern, the studied sample and the reference wave shaper, characterized in that it contains a retroreflector installed in the form of a prism or mirrors.