Оптические методы измерения деформаций

Принципы оптических методов измерения деформаций

Оптические методы измерения деформаций основаны на регистрации изменений оптических характеристик исследуемого объекта, возникающих вследствие его механической нагрузки. Эти изменения могут проявляться как в фазе, так и в амплитуде, поляризации, направлении распространения или пространственном распределении излучения. Методы отличаются высокой чувствительностью, возможностью бесконтактного контроля и применимостью к сложным поверхностям.

Классификация оптических методов

Оптические методы измерения деформаций делятся на несколько основных групп:

Интерферометрические методы
Спекл-интерферометрия
Голографическая интерферометрия
Фотоупругость
Цифровая корреляция изображений
Методы на основе отражательной или преломляющей сетки

Каждый из этих методов имеет свои особенности, преимущества и ограничения, а выбор конкретного подхода зависит от задач эксперимента, требуемой точности и условий проведения измерений.

Интерферометрические методы

Основу составляет измерение изменения оптической разности хода волн, возникающей из-за деформации объекта. В типичном интерферометре (например, интерферометре Майкельсона или Маха–Цендера) фиксируется интерференционная картина, чувствительная к микроизменениям длины оптического пути.

Ключевые особенности:

Высокая чувствительность (до нанометров).
Возможность пространственного картирования распределения деформаций.
Требуется высокая стабильность оптической схемы.

Фазовые сдвиги, вызванные деформацией, могут быть проанализированы с помощью фазоизмерительной интерферометрии, включая методы фазового сдвига и цифровой обработки изображений.

Голографическая интерферометрия

Голографическая интерферометрия регистрирует оптическое поле объекта в состоянии до и после деформации. Полученные голограммы интерферируют, образуя интерференционную картину, отображающую деформации.

Особенности метода:

Позволяет измерять как малые, так и крупные деформации.
Чувствительность определяется длиной волны применяемого излучения.
Применяется как в отражении, так и в передаче.

Различают несколько режимов: режим двойной экспозиции, режим реального времени и режим многократной экспозиции. Каждый из них позволяет фиксировать различные типы деформаций — статические, динамические, остаточные и др.

Спекл-интерферометрия (ESPI)

Этот метод основан на анализе спекл-структуры рассеянного света, возникающего при освещении шероховатой поверхности когерентным излучением. Изменения положения или формы объекта вызывают изменения в интерференционной картине спеклов.

Преимущества:

Подходит для не идеально полированных поверхностей.
Работает при незначительных вибрациях.
Позволяет получать распределения полей деформаций в реальном времени.

Цифровая регистрация изображений и использование алгоритмов фазового анализа позволяют достичь высокой точности измерений.

Метод фотоупругости

Основан на эффекте изменения показателя преломления в прозрачных анизотропных материалах при механической нагрузке (фотоупругий эффект). Используется модель из прозрачного фотоупругого материала, в которой создаются условия, аналогичные условиям в исследуемом объекте.

Характерные черты:

Изучение распределения напряжений по изменению поляризационных характеристик.
Использование анализаторов и компенсаторов для интерпретации картины изофриксий и изокроматов.
Применение в инженерной механике и конструировании.

Метод особенно эффективен для анализа моделей в двухосном и трехосном напряжённом состоянии.

Цифровая корреляция изображений (Digital Image Correlation, DIC)

Метод основан на сопоставлении изображений поверхности объекта до и после деформации. На поверхность наносится случайная контрастная структура (или используется естественная), затем фиксируется перемещение и деформация каждой точки изображения.

Особенности метода:

Высокая точность и разрешающая способность.
Подходит для анализа больших деформаций и перемещений.
Простота в реализации при использовании цифровых камер и специализированного программного обеспечения.

DIC позволяет анализировать как 2D, так и 3D деформации при использовании стереоскопической съемки.

Методы с использованием решеток

Методы на основе отражательных или преломляющих решеток включают использование оптических элементов с регулярной структурой (сеток, решеток, линейчатых масок), которые искажаются при деформации объекта. По изменению формы или периодичности решетки судят о деформации.

Примеры:

Метод Мора.
Фазо-чувствительная решетчатая фотометрия.
Цифровая фазо-гратинг интерферометрия.

Методы эффективны при анализе поверхностных деформаций, особенно при использовании цифровых алгоритмов анализа.

Анализ фазовых изменений

Для количественного анализа интерференционных картин ключевым этапом является фазовое восстановление. Используются методы:

Метод фазового сдвига (phase shifting): получение нескольких изображений с контролируемым фазовым сдвигом.
Метод Карлсона, метод временного интерферограммоанализатора.
Обработка изображений с помощью Фурье-преобразования.

Переход от визуальной к численной интерпретации позволяет автоматизировать процесс и увеличить точность измерений.

Основные источники ошибок и ограничения

Несмотря на высокую точность, оптические методы подвержены ряду факторов, влияющих на достоверность измерений:

Влияние внешних вибраций.
Температурные градиенты.
Шумовые искажении изображения (особенно при цифровой регистрации).
Калибровочные погрешности.

Для их минимизации применяются методы стабилизации, цифровой фильтрации, калибровки и компенсации системных искажений.

Применение в практике

Оптические методы измерения деформаций находят широкое применение:

В аэрокосмической промышленности — контроль напряжений в обшивках и конструкциях.
В машиностроении — анализ механических свойств материалов и соединений.
В биомедицине — оценка микродеформаций тканей, мембран.
В материаловедении — исследование характеристик композиционных, полимерных, наноструктурированных материалов.

Их универсальность, неразрушающий характер и высокая чувствительность делают эти методы неотъемлемой частью современной экспериментальной механики и оптической диагностики.