5. ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВИБРАЦИИ

Оптические и акустические (см. раздел 6) методы измерения параметров абсо чютной и относительной вибрацнн являются бесконтактными волновыми, поскольку основаны на использовании явлений отражения, преломления, дифракции и интерференции волн.

Фотомодуляционные методы (ФММ). Действие измерительных преобразовате лей, реализующих фотомодуляционные методы, основано на пространственной моду дяции светового пучка или модуляции его интенсивности колеблющейся по верхностью, что может происходить за счет отражения, перекрытия или пересечения, вращения плоскости поляризации и т. п. Данные методы не критичны к источ нику излучения, однако на практике чаще используют оптические квантовые генераторы (ОКГ), или лазеры.

Метод пространственной модуляции светового пучка (иногда его называют зеркальным [16]) основан на последующем преобразовании пространственного смещения пучка, линейного или углового, позиционно-чувствительным элементом (фотопреобразователем). Работу позиционио-чувствительного фотопреобразователя запишем в общем виде [20]

где выходной сигнал; В — некоторый оператор, описывающий способ выде ления выходного сигнала; пространственное смещение светового пучка; поток излучения, воспринимаемый преобразователем. Основные параметры преобразователя: крутизна позиционной характеристики

и минимально обнаружимся смещение которое находят из соотношения

где среднеквадратичное значение шумов преобразователя; допустимое отношение сигнал/шум.

В зависимости от типа позиционно-чувствительного преобразователя выходной сигнал может быть величиной непрерывной (например, в случае использования фотопотенциометра) и дискретной (например, в случае применения диссектора со специальной формой мишени или диафрагмы).

Другим распространенным методом является модуляция светового пучка некоторой структурой, имеющей функцию пропускания с четко выраженной периодичностью (например, растр или дифракционная решетка). Дискретность характеристики преобразования этого метода очевидна, причем входная величина (виброперемещеиие) квантуется по уровню. Сопряжением параллельных растров получают комбинационные (муаровые или нониусные) полосы. В этом случае малому перемещению подвижного растра соответствует значительное перемещение комбинационных полос. Разновидностью подобных преобразователей являются кодовые маски, позволяющие передавать информацию о линейном или угловом перемещении в параллельном -разрядном цифровом коде, что дает возможность непосредственно сопрягать такие преобразователи с каналами цифровой обработки и регистрации.

Использование ФММ для измерения силы и ускорения основано на различных эффектах, например пьезооптическом, использующем поляризационный способ модуляции интенсивности. Заметим, что оптический по принципу действия, этот верительный преобразователь относится к типу контактных.

Возможности методов оптической регистрации вибрационных процессов, основанных на скоростной кинофотосъемке объекта и использовании стробоскопического эффекта при визуальной регистрации, исчерйываются в основном получением

качественной информации о вибропроцессе; примеры получения количественных оценок даны в работе [16].

Интерференционно-оптические методы (ИОМ), применяемые в виброметрии основаны на использовании информации, содержащейся в фазе световой волны отраженной от поверхности исследуемого объекта. Следовательно, получение информации о параметрах движения объекта связано с процессом демодуляции фазо-модулированного (ФМ) сигнала оптического диапазона, что осуществляется (исключая способ преобразования ФМ оптического сигнала в пространственное смещение с помощью дисперсионного элемента) только посредством интерференции. Так как есть частота (в данном случае — следствие линейного эффекта Допплера [35]), эти методы можно рассматривать как интерференционно-допплеровские. Учитывая, что реальные приемники оптического диапазона (в том числе и глаз) являются квадратичными детекторами, необходимо осуществлять следующую последовательность пр. образований сигнала в измерительном канале такого типа: фазовая модуляция (эффект Допплера) — фазовая демодуляция (интерференция) — квадратичное де. тектирование (фоторегистрация).

Рис. 13. Интерферометр скорости: 9 — зеркала; 3, 4 — светоделительные призмы; 5 — щелевая диафрагма; 6 — фотодетектор; 7 — поверхность объекта

По виду получаемой информации методы оптической интерферометрии делят на локальные (дающие информацию о параметрах вибрации отдельных точек поверхности исследуемого объекта) и интегральные (дающие информацию о распределении параметров вибрации по поверхности объекта), соответственно на интерференционно-допплеровские и интерференционно-голографические.

Интерференционно-допплеровские методы. В зависимости от кинематического параметра, к которому чувствительна данная оптическая схема интерференционно-допплеровского измерительного преобразователя, различают интерферометры перемещения и интерферометры скорости [44, 45]. В первом случае сигнал на выходе интерферометра пропорционален виброперемещению, а о виброскорости судят по скорости изменения этого сигнала; во втором случае сигнал пропорционален виброскорости, а производная сигнала по времени — виброускорениго.

Схема включения интерферометра скорости в измерительный канал показана на рис. 13. Интерферометр (обведен штрихпунктирной линией) состоит из светодели-тельных призм 3 и 4 и зеркал 8 и 9, т. е. это асимметричный (плечо 3—8—9—4 больше плеча 3—4) интерферометр Маха-Цендера. Излучение ОКГ 1 направляется зеркалом 2 на поверхность колеблющегося объекта 7 и, промодулированное по частоте допплер-эффектом, попадает в интерферометр, где делится призмой 3 на два пучка, проходящие из-за асимметрии плеч разный путь. Разность оптических путей А эквивалентна некоторой временной задержке (с — скорость света), которая неодинакова для различных частот излучения. Следовательно, соединяемые призмой 4 пучки создадут интерференционную картину, перемещающуюся в результате изменения частоты излучения или другую сторону в зависимости от знака изменения. Щелевая диафрагма 5 ограничивает поле зрения фотопреобразователя 6 участком, меньшим по сравнению с расстоянием между интерференционными полосами, что позволяет получить на выходе 6 фототок пропорциональный виброскорости объекта

где амплитуда фоююка; начальная фаза; К — длина волны излучения Аналогичным образом могут бьпь использованы интерферометры Майкельсона, Фабри-Перо и т. д.

В интерферометрах перемещения чувствительность к виброперемещению обесчивается различными схемами. За счет изменения симметрии плеч, т. е. изменения разности хода (наиболее оаспространениый вариант). На рис. 14 этот режим показан для той же интерференционной схемы Маха-Цендера. Здесь одно плечо 2—3—7 образовано светоделителями 2 и 7 и уголковой призмой 3, закрепленной на исследуемом объекте 4, и называется измерительным, другое плечо опорным (или «референтным»). Перемещение объекта 4 на некоторую величину х вызовет изменение асимметрии плеч интерферометра на величину и создаст разность фаз интерферирующих пучков:

где длина волны излучения Следовательно, фотодетектор 5 зарегистрирует в соответствии с (32) определенное число экстремумов интерференционной картины, однозначно определяющее значение перемещения. Частота следования экстремумов (допплеровская) связана со скоростью виброперемещения их соотношением

2. С помощью схемы, показанной на рис. 15. Такие интерферометры применяют преимущественно в анемометрии, но они незаменимы при исследовании виброперемещений микрообъектов типа нитей, волокон, а также микрообъектов с ясно выравенными диффузно-рассеивающими поверхностями [43].

Рис. 14. Интерферометр перемещения с изменением разности хода: 1 - ОКГ; 2, 7 — светоделители; 3 — призма 4 — объект; 5 — фотодетектор; 6 — щелева диафрагма

Рис. 15. Интерферометр перемещения с измерительным объемом: 1 - ОКГ; 2 - светоделитель; 3 — линза; 4 — объект; 5 — фотодетектор; в — зеркало

Здесь луч ОКГ 1 делится призмой 2, и оба сфокусированных линзой 3 пучка пересекаются, создавая стационарную пространственную интерференционную картину с расстоянием между полосами где длина волны излучения ОКГ 1; - угол между пучками (см. рис. 15).

В область пересечения пучков введем нить 4, колеблющуюся (как показано стрелками) в плоскости, перпендикулярной плоскости рисунка. При пересечении витью экстремумов интерференционной картины возникает переменный световой поток, регистрируемый детектором 5, и на его выходе появляются импульсы фотона, число которых пропорционально виброперемещению, а частота следования — виброскорости объекта Это интерференционный аналог растрового преобразования.

Нечувствительность к изменению направления виброперемещения в последу из рассмотренных схем особенно наглядна. В случаях, когда сдвиг фазы волны при отражении больше эта нечувствительность характерна и для ранее рассмотренных схем, т. е. все они — гомодинные интерферометры, или интерферометры с нулевой поднесущен.

При измерении параметров гармонических колебаний можно воспользоваться выражением (33), переписав его в следующем виде:

где амплитуда и частота гармонического колебания. Если амплитуда лебания достаточно велика то отсутствие информации о знаке вибропсм мещения можно компенсировать специальными приемами счета импульсов (за определенные интервалы времени [29]), дающими необходимую информацию о вибропроцессе.

Рис. 16. Характеристики преобразования интерферометров: 1 — гомодин; 2 — гетеродин

Область значений амплитуд виброперемещения в которой сдвиг фазы световой волны при отражении от поверхности колеблющегося объекта характерна тем, что методы прямого гомодинного детектирования (работа на «скате интерференционной полосы), дающие информацию о знаке виброперемещения, уже неприменим а счетно-импульсная обработка еще неприменима из-за малого числа импульсов.

Работоспособность гомодинных интерферочет ров в этой области обеспечивают использованием методов спектрального анализа частотно-модулированного сигнала [19]. Впервые это практически осуществлено визуальной регистрацией моментов исчезновения интерференционных полос. В этом случае глаз работает не только как фотодетектор, но из-за большой инерционности и как узкополосный фильтр При совпадении индексов модуляции со значениями корней функции Бесселя первого ряда нулевого порядка функция обращается в нуль, что визуально воспринимается как исчезновение интерференционных полос.

Однозначная связь индексов модуляции с длиной волны излучения и амплитудой колебания позволяет легко и точно определять эти амплитуды по таблицам значений корней функций Бесселя. Применение фотоэлектрических преобразователей позволило использовать функцию Бесселя первого порядка при подключении к вы ходу фотопреобразователя узкополосного фильтра с центральной частотой, настроичной на частоту колебания объекта. Применение методов спектрального анализа [42] оказалось настолько плодотворным, что они стали метрологической основой либровки и аттестации вибродатчиков [46].

При исследовании негармонических вибропроцессов информация о знаке виброперемещения становится необходимой. В этом случае следует использовать схемы знакочувствительных гомодинов (иногда их называют квадратурными интерферо метрами [39]) или схемы гетеродинных интерферометров. В схеме квадратурного интерферометра использованы оба оптических выхода (второй выход показан на рис. 14 штриховыми линиями), сигналы в которых различными способами сдвинуты на Изменение направления виброперемещения проявляется в относительном отставании или опережении чередования экстремумов интерференционной картины на выходах. При такой информации можно применять технику реверсивного счета интерференционных полос и цифроаналогового преобразования [39, 41] Гетеродинные методы основаны на создании некоторого предварительного сдвига частоты оптического сигнала в одном из плеч интерферометра, например опорном, т. е. на создании ненулевой поднесущей частоты. Когда объект неподвижен, образованные на выходе интерферометра интерференционные полосы перемещаются с постоянной скоростью, давая переменный (на частоте поднесущей) фототок на выходе детектора (см. рис. 16). Изменение виброскорости объекта приводит к изменению (девиации) этой частоты, что легко регистрируется. В интерферометрах такого типа используют двухчастотные лазеры (например, на эффекте Зеемана), или

устройства сдвига частоты излучения на электрооптических, акустико-оптических и других эффектах [25], которые вводят непосредственно в плечо интерферометра

Особенность ОКГ как источника излучения состоит в том, что он фактически является интерферометром. Поэтому включение ОКГ в схему с другим интерферометром, являющимся измерительным преобразователем, создаем оптическую обратную связь (ООС) между ними — явление, проявляющееся в модуляции интенсивности излучения ОКГ. Из-за этого лазерная интерферометрия развивается по двум направлениям 1) интерферометрия с лазерным источником; 2) интерферометрия с ООС В первом случае явление ООС исключается с помощью специальных приемов, во втором оно используется, что дает принципиально новые схемные решения [5] Все рассмотренные выше интерферометры относятся к интерферометрам с лазерными источниками излучения.

В качестве примера на рис. 17 дана применяемая в виброметрии схема трехзеркальиого интерферометра с ООС. Лазер, состоящий из активного элемента 3, помещенного в резонатор (интерферометр Фабри-Перо, образованный зеркалами 2 4), излучает в сторону объекта 6 с закрепленным на нем зеркалом 5 и на фоюдетектор 1. Виброперемещение зеркала 5 приводит к чередованию максимумов и минимумов ООС, что вызывает пропорциональное изменение интенсивности излучения лазера, регистрируемое детектором 1.

Рис. 17. Интерферометр с оптической обратной связью: 1 — фотодетектор, 2,4 — зеркало, 3 — активный элемент; 5 — внешнее зеркало, 6 — объект

Рис. 18. Область применения интерференционного вибропреобразователя соответственно амплитуда и угловая частота измеряемого вибропроцесса)

Очевидная простота и эксплуатационная надежность этого юмодина выгодно отличают его от большинства вышеприведенных классических схем При соответствии некоторым условиям такой интерферометр обладает чувствительностью к смещению см в диапазоне амплитуд см [40].

Зеркало 5 можно убрать, сделав одно из зеркал (например, 4) подвижным, и осуществить измерительное преобразование за счет его смещения. Интерферометры такого класса получили название квантовых гетеродинов

Разнообразие методов, схем и приемов обработки информации обусловлено широким диапазоном задач, решаемых современной интерферометрией, и здесь рассмотрены только основные, наиболее употребляемые методы и приемы. Конкретных устройств допплеровской интерферометрии значительно больше (см., например, работу [29]). Выбор конкретного схемного решения производится с учетом многих параметров, из которых основными являются быстродействие — максимально допустимая скорость изменения фазы т. е. максимальное значение Допплеровской частоты, регистрируемое интерферометром; пороговая чувствительность — минимальный фазовый сдвиг, регистрируемый интерферометром; помехозащищенность — Допустимый уровень внешних помех, выше которого метрологические характеристики интерферометра не гарантируются; область применения (Рис. 18) — часть амплитудно-частотной плоскости значений исследуемых вибрации, ограниченная быстродействием, пороговой чувствительностью и помехозащищенностью интерферометра.

Интерференционно-голографические методы измерений основаны на регистрами фазовых возмущений волнового фронта, возникающих при отражении от некоторой вибрирующей поверхности В общем случае реализация методов представляет ооой двухстадийный процесс записи (регистрации) голограммы и восстановления изображения (действительного или мнимого) за счет преобразования голограммой опорной волны в копию предметной Оптическая схема, реализующая данные

методы, представляет собой вариант двухлучевого интерферометра (рис. 19). Луч лазера 3 делится призмой 6 на два пучка, направляемых зеркалами 1 и 9 в линзы 2 и 8, формирующие опорную и предметную волны. Предметная волна отражается верхностью исследуемого объекта 4. Интерференционная картина, образованная опорной и отраженной предметной волнами, регистрируется фоточувствительным материалом 7, образуя (после соответствующей обработки) голограмму.

По способу записи (экспозиции) голограммы различают три основных метода интерференционной голографии [14]: метод многократных экспозиций; стробсюло. графический метод и голографирование в реальном масштабе времени.

Метод многократных экспозиций (или голографирование с усреднением мени) заключается в том, что время экспозиции голограммы значительно превыщает период колебания объекта. В крайних положениях движущегося объекта его скорость минимальна, поэтому вклад этих двух состояний движения в общую экспозицию максимален, что позволяет трактовать такую голограмму и рассчитывать амплитуды вибраций по восстановленной с нее интерферограмме объекта как полученную методом двух экспозиций [27].

Рис. 19. Интерференционно-голографическая установка: 1,9 — зеркала; 2, 8 — лиизы (расширители пучков); объект; 5 — оптический за твор; 6 — светоделитель; 1 — фоточувствительиый материал

Интенсивность восстановленного изображения при гармоническом колебании объекта описывается выражением

где — интенсивность изображения неподвижного объекта; функция Бесселя первого рода нулевого порядка; амплитуда колебания данной точки поверхности объекта; X — длина волны света; углы освещения и наблюдения объекта соответственно. В частном случае освещения объекта со стороны голограммы и движения его в том же направлении и

т. е. восстановленное изображение покрыто системой интерференционных контуров, являющихся геометрическими местами точек равных амплитуд колебаний, удовлетворяющих условию причем узловые линии (неподвижные участки поверхности) имеют максимальную яркость. Амплитудный диапазон метода ограничен снизу и сверху — Последнее вызвано резким уменьшением контраста интерференционной картины, определяемого характерной зависимостью от аргумента. Расширение амплитудного диапазона метода достигают синхронной (с частотой колебания объекта) фазовой модуляции опорного пучка, например, за счет колебания зеркала 1 (рис. 19) с некоторой амплитудой Тогда, пренебрегая начальной фазой отраженной от объекта волны, можем записать.

Так, варьируя глубину модуляции фазы, т. е. изменяя компенсируют часть амгтлитуды вибрации объекта, что позволяет проводить исследования колебаний объектов с Автоматическую модуляцию фазы опорной волны получают закреплением небольшого зеркала на исследуемой поверхности, т. е. формируют опорную волну из части предметной.

Для регистрации малых амплитуд вибрации (порядка ) применяют метод темного поля, заключающийся в подборе таким образом, чтобы было равно нулю. Тогда, разложив (34) в ряд Тейлора и ограничившись первыми двумя чченами разложения, получим

т. е. на восстановленном изображении наблюдаются области малых амплитуд виброперемещений в виде светлых пятен на общем темном фоне, причем распределение яркости пропорционально квадрату амплитуды Для исследования малых амплитуд применяют метод голографического вычитания, основанный на записи двух голограмм объекта со сдвигом фазы одного из пучков между экспозициями на На восстановленном изображении видны только те области, положения которых изменились за время между экспозициями или во время одной из них.

Экспонирование голограммы осуществляют стробоголографическим методом, используя короткие световые импульсы, синхронизированные с определенной фазой исследуемой вибрации, что позволяет применять метод для исследования любых (в том числе и негармонических) периодических процессов. В предельном случае, когда скважность стробирующнх импульсов велика, интенсивность восстановленного изображения

т. е. преимущество данного метода для исследования больших амплитуд колебаний объектов очевидно; однако инерционность реальных оптических затворов и связанная с ней конечная величина скважности импульсов дают ограничение метода сверху.

Техника получения стробирующих световых импульсов разнообразна, причем используются как устройства (например, 5 на рис. 19), формирующие импульсы излучения лазеров непрерывного действия (см, [25]), так и импульсные лазеры.

Голографирование в реальном масштабе времени осуществляют экспонированием голограммы неподвижного объекта и наложением восстановленного с голограммы изображения на колеблющийся объект. В результате непосредственной интерференции восстановленного изображения с вибрирующим объектом образуется система подвижных (иногда их называют живыми) интерференционных полос, позволяющая исследовать вибрационные поля объектов в динамике визуально либо записывать их на фотопленку или видеорекордер. Метод особенно выгоден для получения информации об отклике объекта на изменение возбуждающих параметров (амплитуды или частоты колебания). Специфика метода заключается в необходимости фиксировать (проявлять) голограмму на месте экспозиции, что в случае применения традиционных фотоматериалов непроизводительно. Применение специальных гермопластичных материалов позволяет создавать исключительно эффективные Устройства, реализующие данный метод.

Спекл-интерференционный метод рассматривается в работе [14] как сопутствующий интерференционно-голографическим методам. Он основан на специфической интерференции световых волн, рассеянных диффузной поверхностью объекта, образующей характерную пространственную спекл-структуру. Виброперемещение объекта приводит к перераспределению спеклов-отдельных ярких «зерен» структуры, позволяющему получить информацию о параметрах вибропроцесса. Основные данные извлекают из фотографически зарегистрированных усредненных по времени спекл-структур с применением соответствующей пространственной фильтрации. Этим способом измеряют углы наклона элементов поверхности вблизи оси узловых линий. Максимальные амплитуды оценивают по результатам измерения,