RU2769885C1 - Устройство для измерения деформации - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области методов измерения деформационных свойств твёрдых тел, в частности к устройствам для дистанционного и бесконтактного измерения деформации и скорости деформации твёрдых тел в непрерывном режиме, и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства для неразрушающего дистанционного контроля в режиме «реального времени» объектов и изделий, расположенных в областях пространства, недоступных для обслуживающего персонала. Заявленное устройство для измерения деформации содержит лазер, оптическую схему и систему регистрации и обработки результатов измерений. Оптическая схема включает в себя: первое полупрозрачное зеркало, которое обеспечивает разделение светового потока на опорный и зондирующий световые пучки, второе полупрозрачное зеркало, два отражателя света, подвижное зеркало, жёстко связанное с контролируемым объектом, поляризатор и два фотоприёмника, причём в направлении распространения опорного светового пучка последовательно расположены первое полупрозрачное зеркало, два отражателя света, затем второе полупрозрачное зеркало, поляризатор и первый фотоприёмник, а в направлении распространения зондирующего светового пучка последовательно расположены первое полупрозрачное зеркало, затем подвижное зеркало, второе полупрозрачное зеркало и второй фотоприёмник. При этом сигнал с фотоприемников подается в систему регистрации и обработки результатов измерений, позволяющую осуществлять высокоточное, дистанционное и бесконтактное измерение величины и скорости деформации в непрерывном режиме, которая включает в себя: устройство сбора данных и персональный компьютер с программным обеспечением, включающим в себя программы для приёма и обработки данных. Технический результат - упрощение процесса измерения величины деформации, проведение измерений в периодическом режиме, упрощение расшифровки и обработки зарегистрированных интерференционных картин, возможность определения величины деформации и скорости деформации в одном измерении. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Description

Изобретение относится к области методов измерения деформационных свойств твёрдых тел, в частности к устройствам для дистанционного и бесконтактного измерения деформации и скорости деформации твёрдых тел в непрерывном режиме, и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства для неразрушающего дистанционного контроля в режиме «реального времени» объектов и изделий, расположенных в областях пространства, недоступных для обслуживающего персонала.

Известно устройство [А.с. № 934215 (СССР) МКИ³ G01B 11/16, опубл. 07.06.82], включающее последовательно расположенные на оптической оси лазер, коллиматор, регистратор спекл-голограммы, линзы, прозрачного экрана с маской в фокальной точке, перекрывающего нулевой порядок; подвижного непрозрачного экрана с фильтрующим отверстием, фотоприемника, фиксирующего спекл-интерферограмму. Устройство позволяет с высокой точностью измерить величину и направление деформации объекта.

Недостатками указанного устройства являются отсутствие возможности одновременного определения скорости деформации и системы автоматизированной регистрации измерений, а также проблемы расшифровки и трудоёмкость Фурье-анализа спекл-голограмм. Проблемы расшифровки спекл-голограмм вызваны тем, что наблюдение и регистрация картин полос связаны с проблемой локализации их в пространстве, параллаксом их наблюдения, появлением псевдоскопических мнимых и действительных изображений, что существенно снижает информативную ценность метода спекл-голографии [Волков И.В.].

Известно устройство [Патент № 2511606 (РФ) МПК G01P 3/36 (2006.01) G01B 9/02 (2006/01), опубл. 10.04.2014], состоящее из цилиндрической линзы с положительным фокусным расстоянием; интерферометра Фабри-Перо; длиннофокусной строящей линзы, в фокальной плоскости которой находятся щелевая диафрагма и детектор; коллимирующей линзы с положительным фокусным расстоянием и двух цилиндрических линз с отрицательным фокусным расстоянием, последовательно расположенных на одной оптической оси, которое позволяет увеличить яркость интерференционной картины на щелевой диафрагме на выходе оптической системы в 2-10 раз, уменьшить габариты оптической системы, использовать передачу света по оптическому волокну.

Недостатком устройства является отсутствие возможности одновременного определения деформации и скорости деформации, отсутствие автоматизированной системы управления работой устройства, наличие аберраций оптической системы, которые могут приводить к отклонению зондирующего света от направления, по которому он должен распространяться в оптической системе устройства. Указанные недостатки обусловлены особенностями метода измерения деформации и взаимодействия зондирующего света с материалами, из которых изготовлены линзы.

Известно устройство [Патент № 2512697 РФ МПК G01B 9/02 (2006/01) G01B 11/00 (2006/01), опубл. 10.04.2014], включающее: а) блок регулировки и фиксации положения относительно поверхности объекта; б) корпус цилиндрической формы, соединённый с блоком регулировки, во внутренней полости которого установлен источник когерентного оптического излучения и оптическая система с устройствами регулировки и фиксации объекта в различных положениях, фокусирующая зондирующий световой поток на поверхность объекта; в) составную опорную балку, выполненную из однотипных цилиндрических элементов; г) светонепроницаемого защитного корпуса с окном, установленного с возможностью перемещения вдоль опорной балки, во внутренней полости которого установлены светоделитель и отражатель, жёстко скрепленные между собой; д) экрана с устройствами для регулировки и фиксации их в различных положениях, причём на концах цилиндрического корпуса и опорной балки, обращенных к поверхности объекта, установлен поворотный шарнир, а между ними установлено устройство для регулировки и фиксации положения опорной балки относительно цилиндрического корпуса. Устройство позволяет обеспечить снижение трудоёмкости подготовки к проведению измерений и повышение точности результатов измерений.

Недостатками устройства являются отсутствие возможности одновременного определения деформации и скорости деформации, периодический режим работы, заключающийся в последовательном измерении фрагментов интерферограмм, созданных опорным и объектным потоками света, и в последующем определении сдвига рассматриваемых интерферограмм, на основании которого определяется перемещение поверхности контролируемого объекта. Указанный недостаток обусловлен нестабильностью условий измерений деформации контролируемого объекта, что приводит к необходимости регистрации эталонной интерферограммы, создаваемой опорным пучком, в каждом определении величины перемещения поверхности контролируемого объекта.

Наиболее близким по технической сути к заявляемому устройству является устройство для измерения деформаций [Патент № 2117241 (РФ) МПК G01B 11/16   (1995.01), опубл. 10.08.1998]. Устройство содержит лазер; систему разделения зондирующего светового потока на два луча, два конечных элемента которой соединены с деформируемым объектом; средство для регистрации интерференционных картин и их обработки. При этом конечные элементы системы разделения светового потока соединены с деформируемым объектом через накладки, установленные с зазором между собой, а каждая из накладок закреплена в одной точке деформируемого объекта. Конечные элементы системы разделения светового потока жёстко соединены с накладками, причём материал, из которого изготовлены накладки, подбирается так, чтобы при изменении параметров внешней среды конечные элементы не смещались относительно друг друга. Это обеспечивает измерение деформации тел, обусловленной чисто силовым воздействием на них, и исключает влияние других внешних факторов (температуры, давления и т.п.) на измеряемый параметр.

Недостатками известного устройства являются: невозможность одновременного определения деформации и скорости деформации, периодический режим измерения, который включает последовательную регистрацию и определение сдвига друг относительно друга интерферограмм, созданных двумя потоками света при отражении от конечных элементов системы разделения светового потока и расшифровку интерференционных картин, в результате которой определяется перемещение поверхности контролируемого объекта.

Указанные недостатки обусловлены необходимостью измерения интерферограмм в стабильных условиях, чтобы обеспечить точность и воспроизводимость измерения величины деформации контролируемого объекта; устройство не обеспечивает непрерывности контроля динамики интерференционной картины в объектном канале в связи с необходимостью записи «эталонной» интерферограммы в опорном канале, что не позволяет регистрировать скорость деформации в процессе измерения; расшифровка интерферограмм требует выполнения сложной математической обработки (преобразование Фурье и т.д.), что снижает быстродействие устройства.

Техническим результатом является упрощение процесса измерения величины деформации и устранение недостатков, - проведение измерений в периодическом режиме, трудности расшифровки и обработки зарегистрированных интерференционных картин, невозможности определения величины деформации и скорости деформации в одном измерении.

Этот технический результат достигается устройством для измерения деформации, состоящим из лазера, системы разделения светового потока на два пучка, двух зеркал, средств для регистрации и обработки результатов измерений, в оптическую схему которого введены два полупрозрачных зеркала, два отражателя света, подвижное зеркало, поляризатор, два фотоприёмника, которые обеспечивают разделение лазерного излучения на опорный и зондирующий световые пучки, причём в направлении распространения опорного светового пучка последовательно расположены полупрозрачное зеркало и два отражателя света, затем второе полупрозрачное зеркало, поляризатор и фотоприёмник, а в направлении распространения зондирующего светового пучка - полупрозрачное и подвижное зеркала, второе полупрозрачное зеркало и второй фотоприёмник.

Известен лазерный деформометр [Патент № 95106877 (РФ) МПК G01В 11/16, опубл. 1995.04.28], содержащий датчик и измерительный блок, в который входят две лазерные системы, две системы частотной стабилизации, светоделители, поворотное зеркало, фотоприёмник. Датчик содержит два интерферометра Фабри-Перо с четырьмя зеркалами. Измерительный блок связан с датчиком волоконно-оптическими кабелями. Датчик выполнен в виде двух корпусов, вложенных один в другой и имеющих общую стенку. Два зеркала одного интерферометра закреплены на противоположных стенках внутреннего корпуса датчика. Два зеркала другого интерферометра закреплены на противоположных стенках внешнего корпуса датчика. Деформации внешнего корпуса датчика, направленные вдоль оптической оси второго интерферометра, приводят к изменению расстояния между зеркалами, входящими в его оптическую схему, что вызывает перестройку частоты лазера, который включён в оптическую схему рассматриваемого интерферометра. Частота другого лазера, включённого в оптическую схему «внутреннего» интерферометра, при этом остаётся неизменной. Излучения обоих лазеров совмещаются на фотоприёмнике, где значение частоты биений изменяется в соответствии с деформацией корпуса.

В известном устройстве [Патент № 95106877 (РФ) МПК G01В 11/16, опубл. 1995.04.28] в качестве датчика деформации используется смещение зеркал, установленные внутри опорного и измерительного лазеров, что позволяет проводить измерения деформации твёрдых тел при высоких температурах.

В заявляемом устройстве лазер используется в качестве источника излучения, а введённые в оптическую схему оптические элементы - два полупрозрачных зеркала, два отражателя света, подвижное зеркало, поляризатор, два фотоприёмника, - применяются для получения опорного и зондирующего потоков света и формирования интерференционной картины в виде «кривой биений», путём анализа которой можно определить величину деформации и скорость деформации в режиме «реального времени», что обеспечивает достижение технического результата.

В процессе непрерывной регистрации деформации и скорости деформации зеркало движется вместе с поверхностью контролируемого объекта, и свет, отражённый от него, изменяет частоту согласно эффекту Доплера [Ландсберг]. Интерференция опорного луча и луча, испытавшего доплеровский сдвиг, приводит к появлению низкочастотных биений в интенсивности регистрируемого луча, которые в фотоприёмнике преобразуются в электрические колебания частоты ν. Сигнал с фотоприёмника через усилитель подаётся в устройство сбора данных и в персональный компьютер.

Скорость деформации

, которая определяется скоростью движения зеркала, жёстко соединённого с контролируемым объектом, связана с частотой колебаний ν по формуле:

, (1)

где λ – длина волны лазерного излучения. Число колебаний на интерферограмме N определяет величину деформации ε по формуле (2):

(2)

Для осуществления компьютерной обработки зарегистрированный сигнал поступает в устройство сбора данных (УСД), действующего в однополярном режиме, которое состоит из микроконтроллера, включающего в себя триггер, мультиплексоры, переключатель «Вход/Выход»; генератора импульсов выходного сигнала состоящего из источника импульсов напряжения выходного сигнала, соединённого с микроконтроллером, имеющим 32 входных каналов аналогового сигнала. В процессе работы УСД должно быть заземлено. Аналоговое напряжение входного сигнала, поступающее от фотоприёмников, с помощью УСД преобразуется в последовательность импульсов выходного напряжения с частотой до 10⁵ Гц, которое далее поступает в персональный компьютер.

Программное обеспечение системы регистрации устройства включает в себя программы для приёма и обработки данных (ПО-1 и ПО-2, соответственно).

ПО-1 предназначено для управления работой УСД, и представляет собой плату аналогового ввода. Оно позволяет производить оцифровку входного аналогового сигнала со скоростью - до 10⁵ отсчётов в секунду. УСД взаимодействует с персональным компьютером посредством интерфейсной шины. ПО-1 обеспечивает взаимодействие оператора с устройством для измерения деформации посредством ввода управляющих команд и вывода зарегистрированной экспериментальной информации с помощью графического интерфейса.

ПО-1 обеспечивает возможность задания параметров работы устройства, а также производит сохранение принимаемых оцифрованных данных в режиме «реального времени».

Разработка ПО-1 произведена в среде Microsoft Visual Studio на языке C#. Программа функционирует в операционной системе Windows (NT, XP, 7, 10 и др.); для работы необходима исполняющая среда версии не ниже Microsoft.NET Framework 2.0.

ПО-1 выполняет следующие функции: а) инициализирует и конфигурирует устройство; б) обеспечивает возможность задания параметров оцифровки, таких как: номер канала приёма данных, диапазон входного напряжения, скорость аналогово-цифрового преобразования (АЦП); в)позволяет инициировать и остановить оцифровку входного аналогового сигнала; г) предоставляет возможность задания времени приёма данных; д)производит сохранение оцифрованных значений входного аналогового сигнала в виде текстовых файлов; е) обеспечивает выдачу сообщений об ошибках в работе устройства для измерения или в действиях пользователя.

Выходными данными ПО-1 являются файлы формата *.TXT, содержащие оцифрованные значения сигнала, поступающего на аналоговый вход УСД.

ПО-2 предназначено для обработки данных, полученных в результате проведения эксперимента по изучению деформационных свойств материалов, с помощью устройства для измерения деформации. Программа позволяет на основе входных экспериментальных данных сформировать и графически представить ряд деформационных характеристик исследуемого материала.

Программа работает под управлением операционной системы Microsoft Windows. ПО-2 создано в среде MATLAB с использованием внутренних средств разработки. Для работы ПО-2 необходимо наличие программной среды MATLAB.

ПО-2 предоставляет следующие функциональные возможности: а)загрузка исходных экспериментальных данных, представленных в виде текстовых файлов формата *.TXT; б) задание параметров для расчёта деформационных характеристик; в) непосредственное формирование деформационных кривых; г) отображение полученных кривых на графике с возможностью его сохранения и последующей загрузки.

Интерфейс пользователя выполняет следующие функции: а) выбор исходного файла, запуск процедуры загрузки данных, отображение значений исходного сигнала; б) задание параметров для формирования деформационных кривых; в) запуск процедуры формирования деформационных кривых, отображение полученных характеристик в виде числовых векторов; г) построение графиков кривых, манипулирование графиком, сохранение и загрузка графика.

Заявителем не обнаружены устройства для измерения деформации, в которых осуществляется дистанционное, непрерывное и одновременное измерение величины и скорости деформации, причём оптическая схема устройства включает лазер, два полупрозрачных зеркала, два отражателя света, подвижное зеркало, поляризатор, два фотоприёмника. Таким образом, заявляемое решение обладает существенными отличиями от известных устройств.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

Фиг. 1. Оптическая схема устройства для измерения деформации: 1 – лазер; 2 – подвижное зеркало; 3 – поляризатор; 4, 5 – фотоприемники; 6, 7 – полупрозрачные зеркала; 8, 9 – отражатели света; 10 – направление перемещения контролируемого объекта

Фиг. 2. Конструкция устройства для измерения деформации: блок А – приведённые на Фиг. 1 элементы оптической схемы (1, 2, 3, 6, 7, 8, 9), фотоприёмники (4, 5); усилитель – формирователь импульсов (11); устройство сбора данных (12). Блок Б – персональный компьютер (13)

Фиг. 3. Пример определения деформации и скорости деформации по интерференционной картине в форме «кривой биений», регистрируемой в процессе измерения для монотонного (А) и знакопеременного (Б) процесса деформации.

Фиг. 4. Зависимости величины деформации от времени нагружения, зарегистрированные при испытании на сжатие образца ПММА, γ-облученного до 160 кГр в вакууме, при комнатной температуре, с помощью метода часового индикатора 14 и устройства для измерения деформации 15. Деформационное испытание проводили при комнатной температуре, на воздухе; величина нагрузки – 8 МПа

Фиг. 5. Зависимости скорости деформации от времени, зарегистрированные при испытании на сжатие образца ПММА, γ-облученного до 160 кГр в вакууме, при комнатной температуре, с помощью метода часового индикатора 16 и устройства для измерения деформации 17. Деформационное испытание проводили при комнатной температуре, на воздухе; величина нагрузки – 8 МПа

Фиг. 6. Зависимость скорости деформации от величины деформации, зарегистрированные при испытании на сжатие образца ПММА, γ-облученного до 160 кГр в вакууме, при комнатной температуре, с помощью метода часового индикатора (а) и устройства для измерения деформации (б). Деформационное испытание проводили при комнатной температуре, на воздухе; величина нагрузки – 8 МПа

Оптическая схема прибора представлена на Фиг. 1 и включает лазер 1; подвижное зеркало 2; поляризатор 3; фотоприемники 4, 5; полупрозрачные зеркала 6, 7; отражатели света 8, 9. Стрелка 10 показывает направление перемещения экспериментального образца твёрдого тела.

Конструкция устройства выполнена в виде двух блоков (Фиг. 2): А – устройство для измерения деформации, Б – управляющий компьютер.

В корпусе устройства для измерения деформации, размещены элементы оптической схемы 1, 3, 6, 7, 8, 9; фотоприёмники 4, 5; усилитель – формирователь импульсов выходного напряжения 11, устройство сбора данных 12. Кроме того, в комплекте устройства для измерения деформации имеются приспособления (оптоволокно, захваты, тяги, направляющие и т.п.), обеспечивающие связь элементов оптической схемы с подвижным зеркалом 2, закреплённом на поверхности контролируемого объекта.

Управляющий компьютер 13 оснащён интерфейсом для связи с УСД и с ПО-1, ПО-2, что позволяет осуществлять как дистанционное и непрерывное наблюдение за величиной и скоростью деформации в режиме «реального времени», так и архивацию данных для их последующей обработки.

Устройство для измерения деформации работает следующим образом:

а) подвижное зеркало 2 при помощи приспособлений, входящих в комплект устройства, крепится на поверхности контролируемого объекта, который должен деформироваться вдоль по направлению зондирующего пучка света (режим «вверх – вниз» 10 на Фиг. 1);

б) перед началом измерения деформации, в режиме «холостого» хода, с помощью управляющего компьютера 13 обеспечивается равенство амплитуд и частоты последовательностей импульсов выходного напряжения U1 и U2 (Фиг. 2), поступающих в устройство сбора данных 12 из усилителя – формирователя импульсов напряжения 11 (при этом величина рассогласования Δφ = 0);

в) как известно, при перемещении контролируемого объекта происходит изменение частоты света, отражённого от поверхности движущегося зеркала 2, жёстко связанного с исследуемым объектом, что приводит к изменению характеристик (частота, фазовый угол) зондирующего светового потока Ф2 по сравнению со световыми характеристиками опорного светового потока Ф1, которое пропорционально скорости перемещения зеркала 2, и соответственно, контролируемого объекта (т.н. эффект Доплера). Указанные изменения приводят к возникновению рассогласования Δφ в последовательностях импульсов напряжения U1 и U2, поступающих из усилителя 11 в УСД. Положительное значение Δφ соответствует движению контролируемого объекта «вниз», в то время как отрицательное значение Δφ соответствует движению контролируемого объекта «вверх»;

г) при запуске ПО-1 задаются следующие параметры приёма данных: номер входного канала; диапазон входного напряжения; скорость АЦП; папка для сохранения файлов результатов оцифровки; название файлов результатов.

После задания необходимых параметров, инициируется начало процесса измерения деформации контролируемого объекта и приёма данных. Во время приёма данных изменение входных параметров системой не допускается. Процесс измерения деформации и регистрации данных может быть прерван в любой момент времени. Приём данных автоматически прерывается при нехватке свободной памяти на носителе, на который осуществляется запись файлов результатов. После окончания приёма, в нижней части окна ПО-1 отображается информации о последней сессии приёма данных.

д) Для запуска ПО-2 необходимо:

1. Установить на управляющий компьютер и запустить MATLAB.

2. Разместить все файлы программы в рабочей директории MATLAB, либо добавить папку с файлами в список рабочих директорий MATLAB (меню File, пункт Set Path…).

3. В командном окне MATLAB ввести команду: «Deformation Data Process».

4. Для формирования деформационных кривых необходимо:

4.1. Выбрать серию данных, выделив её наименование.

4.2. Задать параметры для построения кривых, в том числе:

- база деформации;

- временной промежуток, на котором необходимо сформировать деформационные кривые;

- шаг обхода графика сигнала;

- длина волны лазерного излучения.

4.3. Дать команду «Сформировать кривые».

После выполнения шагов 1 - 4, можно просмотреть полученные числовые вектора деформационных кривых. Пример деформационных кривых показан на экране компьютера 13 (Фиг. 2).

Достижение технического результата подтверждается следующими примерами:

Пример № 1. Анализ интерференционных картин, возникающих при деформации контролируемого объекта в режимах «растяжение»/«сжатие» или в случае знакопеременной деформации

На Фиг. 3, а, б приведены фрагменты интерференционной картин для различных режимов деформации контролируемого объекта. В случае, если контролируемый объект в процессе испытания деформируется только в режиме «сжатие» или «растяжение», то интерференционная картина возникает в форме «кривой биений» (Фиг. 3, а).

Как следует из Фиг. 3, а при длине волны лазерного излучения 0,6328 мкм одно колебание соответствует приращению деформации на 0,316 мкм. Согласно критерию Рэлея [Ландсберг], нижний предел величины регистрируемой деформации составляет не менее одной четверти длины излучения лазера, применяемого в устройстве, т.е. Δx ≥ λ/4 = 0,158 мкм.

Произведём расчёт величины и скорости деформации для фрагмента интерференционной картины в форме «кривой биений» (Фиг. 3, а). Так как расстояние между двумя максимумами - 0,316 мкм, при этом в рассматриваемом фрагменте интерференционной картины содержится N = 6 колебаний, которые были зарегистрированы за промежуток времени, Δt = 17 с, то с помощью формулы (1) нетрудно оценить деформацию контролируемого объекта: ε = 0,316 мкм × 6 = 1,896 мкм. Одновременно можно оценить скорость деформации контролируемого объекта по формуле (2): ε֗ = ε/Δt = 1,896/17 = 0,11 мкм/с. Очевидно, что при постоянной скорости деформации ε֗ временная зависимость деформации контролируемого объекта будет подчиняться закону Гука. При этом в режимах «растяжение»/«сжатие» зависимость ε – t будет иметь вид прямой, выходящей из начала координат в область положительных или отрицательных значений деформации, соответственно. Если скорость деформации зависит от времени, то зависимость ε – t будет описываться более сложными законами деформации [Савельев].

Если же при испытании контролируемого объекта деформация изменяет свой знак (происходит переход от деформации сжатия к деформации растяжения), то интерференционная картина принимает вид, показанный на Фиг. 3, б. В этом случае в момент смены знака максимумы интерференционной картины расщепляются. При этом в целом интерференционная картина сохраняет форму «кривой биений». Очевидно, расщепление максимумов интерференционной картины на несколько компонент приводит к увеличению общего количества максимумов (на базе рассматриваемых максимумов интерференционной картины). В соответствии с формулами (1) и (2) это означает увеличение величины и скорости деформации контролируемого объекта в момент смены знака деформации. Тогда на зависимости ε – t наблюдается появление участков с более высокой скоростью деформации (Фиг. 3, в).

Пример № 2 Сопоставление результатов измерения деформации полиметилметакрилата различными методами

Оценка эффективности заявляемого устройства для измерения деформации может быть получена посредством проведения деформационных испытаний образцов одного и того же материала, имеющих одинаковую предысторию, различными способами.

В качестве объектов исследования использовали образцы промышленно важного полимера - полиметилметакрилата (ПММА), которые имели форму цилиндров диаметром 3 мм и высотой 6 мм. Образцы ПММА в количестве 10 штук помещали в ампулы из молибденового стекла, которые затем были вакуумированы до 10^-3 мм рт. ст. Радиационное воздействие (γ-излучение ⁶⁰Со до дозы 160 кГр при мощности дозы 3 Гр/с) осуществляли при комнатной температуре, в вакууме. После облучения ПММА хранили в вакууме, при комнатной температуре, в течение года. Ампулы с образцами вскрывали непосредственно перед проведением испытаний. Деформационные испытания образцов γ-облученного ПММА проводили при комнатной температуре.

На Фиг. 4 – 6 приведены результаты деформационного испытания ПММА, зарегистрированные с помощью традиционного метода регистрации величины деформации с помощью часового индикатора (далее – метод часового индикатора) и устройства для измерения деформации. При этом во втором случае регистрацию данных осуществляли как с помощью самописца КСП-4, так и в автоматизированном режиме.

Как следует из сопоставления экспериментальных данных по деформации ПММА, зарегистрированных с помощью метода часового индикатора и устройства для измерения деформации (Фиг. 4), вынос датчика для измерения деформации из рабочей зоны установки позволяет уточнить результаты измерения на 20% - 30%.

Анализ временных зависимостей скорости деформации образца ПММА, определённых методом часового индикатора и с помощью устройства для измерения деформации, показал, что значения скорости деформации ПММА при измерении традиционным способом оказываются также завышенными (Фиг. 5).

Таблица. Сопоставление значений величины предела вынужденной эластичности (ε_в, %), установленных для образцов ПММА, γ-облученных до 160 кГр в вакууме, при комнатной температуре, полученных с помощью различных методов измерения и регистрации полученных деформационных данных

Предел вынужденной эластичности, %	Метод часового индикатора	Устройство для измерения деформации, регистрация на самописец КСП-4	Устройство для измерения деформации, компьютерная обработка данных
εв, %	3,81	2,88	2,20

В таблице и на Фиг. 6 приведены результаты определения с помощью метода часового индикатора и устройства для измерения деформации важнейшей характеристики деформации ПММА – предела вынужденной эластичности [Савельев]. Как следует из таблицы, применение устройства для измерения деформации в сочетании с автоматизированной обработкой данных позволяет наиболее точно определить значение предела вынужденной эластичности. При этом обращает внимание практически двукратное расхождение в оценках, полученных традиционным методом и с помощью устройства для измерения деформации.

Как показывают результаты проведённых испытаний, устройство для измерения деформации может быть использовано в качестве средства метрологической аттестации и сертификации деформационных свойств различных классов твёрдых тел - полимеры, композиционные и керамические материалы, металлы и сплавы.

Достоинства устройства для измерения деформации: а)безинерционность – обусловлено применением лазерного источника излучения; б) бесконтактность – процесс измерения не оказывает влияния на измеряемую величину; в) возможность проведения дистанционных измерений; г) непрерывность регистрации изменения во времени измеряемой величины; д) высокая точность измерения и его «абсолютный» характер – отсутствует необходимость в эталоне для калибровки.

Устройство для измерения деформации допускает возможность различных научно-практических применений для диагностики состояния технических объектов, как например, рельсы, мосты и т.п.

Технические характеристики устройства для измерения деформации:

1) Вес – до 10 кг, длина, ширина, высота – 500×500×100 мм.

2) Диапазон измеряемых скоростей деформации – от 10^-3 до 10^-10 м/с.

3) Диапазон измеряемых величин деформации: от 10^-7 до 1 м.

4) Нижний предел измерения деформации контролируемого объекта составляет не менее одной четверти длины излучения лазера, применяемого в устройстве.

5) Наличие системы компьютеризированной регистрации и обработки результатов измерений, в том числе - непосредственно в процессе измерения.

6) Наличие оптической схемы, которая включает: а) полупроводниковый лазер мощностью 3-5 МВт, действующий на длине волны 6328 Å; б)подвижное зеркало; в) два полупрозрачных зеркала; г) два отражателя света; д) поляризатор; е) два фотоприёмника.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Устройство для интерферометрического измерения деформаций объектов: А.с. № 934215 (СССР) МКИ³ G01B 11/16. УДК 531.781.2 (088.8). Заявлено 28.07.80, № 2968718/25-28. Опубликовано 07.06.82. Бюллетень № 21. Дата опубликования описания 07.06.82. Авторы: Волков И.В., Клименко И.С.

2. Устройство доплеровского измерителя скорости на основе интерферометра Фабри-Перо с волоконным вводом излучения: Патент № 2511606 (РФ) МПК G01P 3/36 (2006.01) G01B 9/02 (2006/01). Заявка 2012135949/28 от 22.08.2012. Дата подачи заявки: 22.08.2012. Дата публикации заявки: 27.02.2014 Бюл. №6. Опубликовано: 10.04.2014 Бюл. № 10. Авторы: Бражников П.П. (RU), Колтовой О.Н. (RU). Заявитель: Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно- исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова» (ФГУП "ВНИИА") (RU)

3. Оптическое интерференционное устройство для измерения перемещений поверхностей объектов контроля: Патент № 2512697 РФ МПК G01B 9/02 (2006/01) G01B 11/00 (2006/01). Заявка 2012146058/28 от 29.10.2012. Дата начала отсчёта срока действия патента - 29.10.2012. Дата подачи заявки - 29.10.2012. Опубликовано: 10.04.2014 Бюл. № 10. Авторы: Мирошниченко И.П. (RU), Паринов И. А. (RU), Рожков Е. В. (RU). Заявитель: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» (Южный федеральный университет) (RU)

4. Устройство для измерения деформаций: Патент № 2117241 (РФ) МПК G01B 11/16   (1995.01) Заявка № 97102320/28 от 14.02.1997 Опубликовано: 10.08.1998. Заявитель: Закрытое акционерное общество «САХ и Кo». Авторы: Курлаев А.Р., Сидорин Ю.В. Заявитель: Закрытое акционерное общество «САХ и Кo»

5. Волков И.В. / Внестендовая спекл-голография. Использование голографической и спекл-интерферометрии при измерении деформаций натурных конструкций / Волков И. В. // Компьютерная оптика. 2010. Т. 34, №1. С. 82 – 89

6. Лазерный деформометр: Патент № 95106877 (РФ) МПК G01В 11/16 Заявка № 95106877/28. Дата подачи заявки – 1995.04.28. Дата публикации – 1996.11.27. Губин М.А., Полубояров В.Н., Тюриков Д.А.

7. Ландсберг Г.С. // Оптика. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 848 с.

8. Савельев Л.М. // Механика деформируемого твёрдого тела. – Самара: СГАУ, 2013. – 80 с.

Claims (11)

1. Устройство для измерения деформации, содержащее лазер, оптическую схему и систему регистрации и обработки результатов измерений, отличающееся тем, что оптическая схема включает в себя: первое полупрозрачное зеркало, которое обеспечивает разделение светового потока на опорный и зондирующий световые пучки, второе полупрозрачное зеркало, два отражателя света, подвижное зеркало, жёстко связанное с контролируемым объектом, поляризатор и два фотоприёмника, причём в направлении распространения опорного светового пучка последовательно расположены первое полупрозрачное зеркало, два отражателя света, затем второе полупрозрачное зеркало, поляризатор и первый фотоприёмник, а в направлении распространения зондирующего светового пучка последовательно расположены первое полупрозрачное зеркало, затем подвижное зеркало, второе полупрозрачное зеркало и второй фотоприёмник, при этом сигнал с фотоприемников подается в систему регистрации и обработки результатов измерений, позволяющую осуществлять высокоточное, дистанционное и бесконтактное измерение величины и скорости деформации в непрерывном режиме, которая включает в себя: устройство сбора данных и персональный компьютер с программным обеспечением, включающим в себя программы для приёма и обработки данных.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что имеет следующие технические характеристики:

1) Вес - до 10 кг, длина, ширина, высота - 500×500×100 мм.

2) Диапазон измеряемых скоростей деформации - от 10^-3 до 10^-10 м/с.

3) Диапазон измеряемых величин деформации: от 10^-7 до 1 м.

4) Нижний предел измерения деформации контролируемого объекта составляет не менее одной четверти длины излучения лазера, применяемого в устройстве.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что система регистрации и обработки результатов измерений содержит:

- устройство сбора данных,

- управляющий компьютер,

- программу приёма данных,

- программу обработки данных.

Images