щей способностью 1 нТл; его цена 3450 долл.
Фирма "Stefan Mayer Instruments" (ФРГ) выпускает переносные феррозондовые магнитометры типа FLUXMASTER для измерения слабых магнитных полей от 1 нТл до 200 мкТл с погрешностью 0,5 %. Они обычно применяются для исследований магнитного поля Земли, палеомагнетизма и др. Стоимость магнитометра 1880 марок.
В заключение сделаем некоторые выводы.
В настоящее время для измерения параметров магнитных полей применяются магнитомеханические, индукционные, SQUID-, гальваномагнитные (датчики Холла), магни-
торезонансные и феррозондовые преобразователи.
Для измерения медленно изменяющихся магнитных полей в диапазоне 10 пТл...1 нТл целесообразно применять SQUID-датчики и протонные магнитометры, стоимостью 34 000 до 5000 долл., а также магниторезонансные (с оптической накачкой атомов) магнитометры, имеющие погрешность измерения порядка 1 пТл при стоимости около 16 000 долл. США.
Наименьшую стоимость (около 400 долл.) имеют гальваномагнитные датчики Холла, но погрешность измерения у них превышает ±1 % для полей более 150 мкТл.
Наиболее оптимальны по стоимости (500 - 4000 долл. США) и техническим характеристикам (разрешающая способность 1 нТл, погрешность измерения ±0,5 % в диапазоне полей от ±2 мкТл и более) феррозондовые магнитометры, обладающие малыми габаритными размерами и небольшой потребляемой мощностью.
Работа выполнена в Уфимском государственном авиационном техническом университете.
\Юрий Николаевич Кочемасов\ — канд. техн. наук, доц.;
Юрий Борисович Колегаев — аспирант. 9(3472) 23-77-89 □
УДК 535.41
ПАНОРАМНЫЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРЫ С ПЛОСКИМ ФОТОРЕГИСТРАТОРОМ
Е.А. Краснопевцев
Рассматриваются три типа панорамных интерферометров, обеспечивающих постоянную чувствительность измерения компонент вектора перемещения во всех точках исследуемой поверхности. Анализируются методы измерений, обсуждаются преимущества и недостатки интерферометров, предлагается новый панорамный интерферометр с референтной волной.
ВВЕДЕНИЕ
Контроль качества деталей ответственных конструкций основан на анализе их деформированного состояния. Традиционные оптические методы экспериментальной механики созданы для изучения, главным образом, плоских объектов. Для исследования деформированного состояния поверхности тел цилиндрической формы с одинаковой во всех точках чувствительностью разработаны панорамные интерферометры [ 1 —5]. Их общим конструктивным элементом является коническое зеркало, в малом основании которого соосно закреплен цилиндрический объект. Зеркало создает цилиндрическую или коническую волновую поверхность с осевой симметрией, соответствующей симметрии объекта. В результате угол освещения одинаков во всех точках объ-
екта, что необходимо для получения постоянной чувствительности. Панорамная интерферограмма с постоянной чувствительностью дает картину деформированного состояния всей поверхности объекта, позволяет обнаружить зоны аномальных перемещений, определить интегральные характеристики поля деформаций. Разработаны следующие типы интерферометров с плоским фоторегистратором: топографический интерферометр [ 1—3], спекл-интерфе-рометр [3, 4] и интерферометр с референтной волной [5]. В первых двух используются фотопластинки, в последнем — камера ПЗС. Голог-рафический интерферометр имеет высокую чувствительность, при этом верхняя граница диапазона измерений ограничена величиной, меньшей 100А.. Спекл-интерферометр измеряет существенно большие пере-
мещения, но и здесь из-за большого объема информации используется фотопластинка. Преобразовать первичную оптическую информацию сразу в цифровую форму позволяет интерферометр с референтной волной. Последующая часть измерительного процесса осуществляется в автоматизированном режиме. Интерферометр, предложенный в работе [5], имеет коническое зеркало с углом 90° при вершине и измеряет радиальную компоненту вектора перемещения. Этот интерферометр нечувствителен к внутриплоскост-ным перемещениям.
В настоящей работе обсуждаются оптические схемы панорамных интерферометров и применяемые методы измерений. Сравниваются метрологические характеристики интерферометров, отмечаются их преимущества и недостатки. Предтага-
34 _ Sensors & Systems • № 4.2001
Рис. 1. Панорамный голографический интерферометр:
а — схема; б — определение компонент вектора перемещения
ется панорамный интерферометр с референтной волной, имеющий составное коническое зеркало и предназначенный для измерения радиальной и осевой компонент вектора перемещения во всех точках цилиндрической поверхности.
ПАНОРАМНЫЙ
ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ
ИНТЕРФЕРОМЕТР
Голографический интерферометр измеряет радиальную и осевую компоненты вектора перемещения. Для получения панорамной голограммы цилиндрической поверхности применяется схема, представленная на рис. 1, а. Осевой пучок лучей А, пройдя через фотопластинку /'. расположенную около большого основания конического зеркала С с углом 20 при вершине, отражается от зеркала и освещает тело В. Часть излучения идет от диффузно рассеивающей поверхности В по пути падающих лучей, назовем их лучами I. Другая часть — лучи //, идут непосредственно к фотопластинке В результате создается двухэкспозиционная голограмма Н с большой угловой апертурой. Она служит для получения панорамных интерферограмм в лучах / и II с по-
стоянными углами наблюдения щ. Для создания интерферограмм применяются схемы, представленные на рис. 2: а — в лучах I (а \ = 20), б — в лучах II (с*2 < 0), в — в лучах / в центре и в лучах II на периферии. В качестве иллюстрации на рис. 2 (г, д, е) приведены панорамные ин-терферограммы деформированного состояния цилиндрических оболочек, нагруженных осевым сжатием, для соответствующих схем наблюдения: г — 0 = 60°, сх 1 = 120°; д — 0 = 45°, а2 = 45°; е - 0 = 60°, а, = = 120°, с*2 = 45°. Компоненты вектора перемещения определяются из основного уравнения голографиче-ской интерферометрии (е,? — е^)(и + + V + = т(0, а) к, где е^ и (В = 1,2) — единичные векторы освещения и наблюдения, представленные на рис. 1, б, т — абсолютный порядок интерференционной полосы, наблюдаемой в направлении (0, а). По двум интерферограм-мам вычисляются радиальное и> и осевое и перемещения. Тангенциальное перемещение вклада не дает, поскольку вектор V перпендикулярен к векторам е<, и е /¡. Погрешность измерения, связанная с неточностью определения порядков интерференционных полос, достигает минимального значения при углах 0 = (45...60)°, а = 0. Для радиального перемещения диапазон измерений составляет (0,25...40) А., порого-
вая чувствительность у = (0,3...0,5) мкм/полосу, для осевого перемещения, соответственно, (0,5...80)л и у = (0,5...0,9) мкм/полосу. Наибольший градиент перемещений
и = , где С„ - угол пово-
рота нормали и Си — осевая деформация, который можно исследовать интерферометром, зависит от пороговой чувствительности у и от минимальной ширины полосы р, которую разрешает интерферометр, О = у/р. Если р к 3 мм/полосу, то получаем в к (1...3)10-4.
ПАНОРАМНЫЙ СПЕКЛ-ИНТЕРФЕРОМЕТР
Существенное расширение диапазона измерений в сторону больших перемещений достигается методами спекл-интерферометрии. Для получения панорамной двухэкспо-зиционной сфокусированной спек-лограммы применяется схема, представленная на рис. 3, а. Линза Ь преобразует изображение цилиндрической поверхности объекта В, созданное коническим зеркалом С с углом 90° при вершине и находящееся в плоскости я, в плоскость я' спеклограммы 5. Панорамная ин-терферограмма создается по схеме (рис. 3, б) в лучах, рассеянных спекл-структурой. Прямая засветка перекрывается диафрагмой О. Осе-
Рис. 2. Схемы получения (а, б, в) и примеры (г, д, е) панорамных интерферограмм
Датчики и Системы • № 4.2001
35
Рис. 3. Панорамный спекл-интерферометр:
а — схема получения спеклограммы; б — схема получения панорамной интерферог-раммы; в — пример панорамной интерферограммы
Рис. 4. Панорамный интерферометр с референтной волной:
а — схема; б — определение компонент вектора перемещения
вое перемещение определяется по формуле
«1= *
1
Р
2 Г + Ь„
т,
где р — увеличение фокусирующей системы в схеме (рис. 3, а); т и Ьт — порядок и осевое положение интер-
ференционной полосы. Панорамная спекл-интерферограмма имеет чувствительность около 13 мкм/по-лосу, что позволяет измерять перемещения до 200л.. Однако наибольший градиент перемещений, измеряемый этим интерферометром, на порядок меньше, чем для топографического интерферометра: С к Ю-5.
Первичная оптическая информация, формируемая голографическим и спекл-интерферометром, имеет высокую пространственную частоту и лишь часть ее связана с измеряемыми перемещениями. Объем информации большой и регистрируется на фотопластинке. Автоматизация измерительного процесса путем применения камеры ПЗС возможна только с этапа получения интерфе-ро грамм.
ПАНОРАМНЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР С РЕФЕРЕНТНОЙ ВОЛНОЙ
Для существенной автоматизации процесса измерения радиальной и осевой компонент вектора перемещения точек поверхности объекта цилиндрической формы предлагается применять интерферометр с референтной волной. Объект В на рис. 4 расположен соосно с коническими зеркалами С\ и С^. На зеркало С| падает коллимированная осевая волна, идущая от расширителя
Отразившись от зеркала, излучение освещает объект В. Рассеянное им излучение частично идет по пути падающего света, создавая лучи / (см. рис. 4, б,) частично идет по пути осевых лучей //, отразившись от зеркала С2- Видеокамера (см. рис. 4, а) регистрирует результат интерференции объектной волны и волны, отраженной от диффузно рассеивающей поверхности сравнения Я. Эта поверхность имеет форму изображений 5 объекта В в конических зеркалах С\ и С^ Середина поверхности сравнения освещается расширителем а периферия расширителем ¿2- Кольцевая диафрагма К устраняет перемешивание рассеянных волн. Для измерения перемещений регистрируются интерферограммы исходного и деформированного состояний объекта. Цифровые изображения интерферограмм вычитаются друг из друга и возводятся в квадрат. Размеры углов зеркал С\ и С) могут быть выбраны несколькими способами. При этом необходи
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.