способ определения деформации и напряжений и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ определения деформации и напряжений элементов конструкции, включающий формирование светового изображения объекта до и после деформации, преобразование оптического изображения в электрический сигнал, отличающийся тем, что световое изображение исходного объекта увеличивают и запоминают в первом оптическом управляемом транспоранте, а световое изображение деформированного объекта увеличивают и запоминают во втором оптическом управляемом транспоранте, производят синхронное считывание изображений, запоминание результирующего изображения и формирование изображения в виде полос Юнга, считывание его и по анализу размеров и развороту полос определяют деформации и напряжения.

2. Устройство для определения деформации и напряжений элементов конструкций, содержащее лазер, освещающий объект, последовательно соединенные телевизионную камеру и интерфейс, одним выходом соединенный с монитором, двумя другими с телевизионной камерой, а двунаправленной шиной с вычислительным блоком, выходом подключенный к дисплею, отличающееся тем, что в него введены первый дополнительный лазер, микроскоп, первое полупрозрачное зеркало, первый оптический затвор, первый оптический управляемый транспорант, первый блок считывания, первое зеркало, второе полупрозрачное зеркало, линза, второе зеркало, второй оптический затвор, второй оптический управляемый транспорант, второй блок считывания, дополнительный интерфейс, третий оптический затвор, третий оптический управляемый транспорант, третий блок считывания, управляемый блок питания оптических управляемых транспорантов, блок управления и синхронизации, второй дополнительный лазер, причем к входу телевизионной камеры, оптически связанной с объектом, подключены последовательно соединенные микроскоп, первое полупрозрачное зеркало, первый оптический затвор, управляющим входом подключенный к выходу дополнительно введенного интерфейса, первый оптический управляемый транспорант, двумя отдельными входами подключенный к выходу управляемого блока питания оптических управляемых транспорантов, первый блок считывания, вторым входом подключенный к выходу блока управления и синхронизации, первое зеркало, второе полупрозрачное зеркало, вторым входом подключенное через второй дополнительный лазер к отдельному выходу блока управления и синхронизации, третий оптический затвор, вторым входом подключенный к отдельному выходу дополнительного интерфейса, третий оптический управляемый транспорант, двумя входами подключенный к отдельным выходам управляемого блока питания оптических управляемых транспорантов, третий блок считывания, вторым входом подключенный к выходу управления и синхронизации, и линза, а также между выходом первого полупрозрачного зеркала и вторым входом второго полупрозрачного зеркала включены последовательно соединенные второе зеркало, второй оптический затвор, вторым входом подключенный к выходу дополнительного интерфейса, второй оптический управляемый транспорант, двумя отдельными входами подключенный к выходу управляемого блока питания оптических управляемых транспорантов, второй блок считывания, вторым входом подключенный к отдельному выходу блока управления и синхронизации, причем отдельные выходы первого, второго и третьего блоков считывания подключены к отдельным входам первого, второго и третьего оптических управляемых транспорантов соответственно, а отдельный выход дополнительного интерфейса подключен к входам управляемого блока питания оптических управляемых транспорантов и блоку управления и синхронизации, первым выходом соединенный с входом лазера, а другим входом через первый дополнительный лазер с вторым входом полупрозрачного зеркала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области неразрушающего контроля (напряжения и деформации) элементов конструкций (насосов, сосудов и т.п.) и позволяет с высоким быстродействием оценивать параметры напряжения и деформации.

Известны способы и устройство для регистрации деформаций, возникающих при приложении деформирующих усилий, содержащее источник света, освещающий объект когерентным светом, фокусирующий и сдвигающий оптический элемент, который принимает отражающий от объекта когерентный свет, генерирует интерферирующие сфокусированные изображения объекта, сдвигающее одно относительно другого в поперечном направлении приспособление для записи интерферограммы, возникающей в результате интерференции сфокусированных изображений [1] Принцип действия способа и устройства основан на анализе спеклинтерференционных изображений, снятых до воздействия усилий и после них.

Недостаток этого способа и устройства состоит в невозможности быстрой (оперативной) оценки деформаций и напряжений из-за необходимости предварительного запоминания (фиксации) изображений на фотопленке.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ и устройство для определения напряжений и деформаций трубопроводов, сосудов высокого давления и элементов конструкций, содержащее источник, направляющий луч света на поверхность контролируемого объекта, оптический приемник (телевизионную камеру), который воспринимает эталонную точечную картину, деформирующуюся при отражении света, интерфейс с подключенным монитором, микроЭВМ (с дисплеем), осуществляющий сравнение запомненной и текущей картин [2]

Недостаток известного способа и устройства заключается в низком быстродействии из-за необходимости перерабатывать всю поступающую информацию на микрокомпьютере.

Цель изобретения повышение быстродействия определения величины деформаций и напряжения элементов конструкций.

Поставленная цель достигается тем, что:

1. В известном способе определения деформаций и напряжений элементов конструкций, включающем формирование светового изображения объекта до деформации и после нее, преобразования оптического изображения в электрический сигнал, световое изображение исходного объекта увеличивается и запоминается в первом оптически управляемом транспаранте, а световое изображение деформированного объекта увеличивается и запоминается во втором оптически управляемом транспаранте, производятся синхронное считывание изображения и формирование изображений вида полос Юнга, считывание его и по анализу размеров и развороту полос определяются деформации и напряжения;

2. В известное устройство, содержащее лазер, освещающий объект и последовательно соединенные телевизионную камеру и интерфейс, одним выходом соединенным с монитором, двумя другими с телевизионной камерой, а двунаправленной шиной с микроЭВМ, выходом подключенной к дисплею, между выходом объекта и оптическим входом телевизионной камеры включены последовательно соединенные микроскоп, первое полупрозрачное зеркало, первый оптический затвор, управляющим входом подключенный к выходу дополнительно введенного интерфейса, первый оптический управляемый транспарант, двумя отдельными входами подключенный к выходу управляемого блока питания оптически управляемых транспарантов, первый блок считывания, вторым входом подключенный к выходу блока управления и синхронизации, первое зеркало, второе полупрозрачное зеркало, входом подключенное через дополнительно введенный лазер к отдельному выходу блока управления и синхронизации, третий оптический затвор, вторым входом подключенным к отдельному выходу дополнительного интерфейса, третий управляемый транспарант, двумя входами подключенный к отдельным выходам управляемого блока питания оптических управляемых транспарантов, третий блок считывания, вторым входом подключенный к выходу блока управления и синхронизации, и линза, а также между выходом первого полупрозрачного зеркала и вторым входом второго полупрозрачного зеркала включены последовательно соединенные второй оптический затвор, вторым входом подключенный к выходу дополнительного интерфейса, второй оптический управляемый транспарант, двумя отдельными входами подключенный к выходу управляемого блока питания оптических управляемых транспарантов, и второй блок считывания, вторым входом подключенный к отдельному выходу блока управления и синхронизации, причем отдельные выходы первого, второго и третьего блока считывания подключены к отдельным входам первого, второго и третьего оптических управляемых транспарантов соответственно, отдельный выход дополнительного интерфейса соединен двунаправленной шиной с микроЭВМ, а другой отдельный вход дополнительного интерфейса подключен к входам управляемого блока питания оптических управляемых транспарантов и блока управления и синхронизации, первым выходом соединенным с входом первого лазера, другим выходом через дополнительно введенный второй лазер с вторым входом первого полупрозрачного зеркала.

Введение микроскопа, первого и второго зеркал, первого и второго полупрозрачных зеркал, первого, второго и третьего оптических затворов, первого, второго и третьего оптически управляемых транспарантов, первого, второго и третьего блоков считывания, блока управления и синхронизации, управляемый блок питания оптически управляемых транспарантов, линзы, дополнительного интерфейса и двух дополнительных лазеров позволяют с высоким быстродействием определять требуемые характеристики исследуемого участка объекта за счет формирования в оптическом диапазоне результирующего изображения в виде полос Юнга.

Сопоставительный анализ прототипа и заявляемого технического решения позволяет заключить, что техническое решение соответствует критерию "новизны".

В известных устройствах, решающих задачу определения напряжения и деформации, не используются оптически управляемые транспаранты для регистрации сравниваемых изображений и формирования результирующего изображения. Наличие отличительных признаков не известных в технических решениях позволяет сделать заключение о соответствии заявляемого решения критерию "существенные отличия".

На фиг.1 дана структурная схема устройства; на фиг.2 основная (оптическая) часть устройства; на фиг.3 изображения (эталонное и текущее), формируемые в результате спекл-эффекта; на фиг. 4 вариант использования оптически управляемого транспаранта; на фиг.5 электрическая схема варианта управляемого блока питания оптически управляемых транспарантов; на фиг. 6 - структурная схема исполнения оптического затвора; на фиг.7 вариант блока управления и синхронизации; на фиг.8 диаграмма работы блоков управления и синхронизации; на фиг.9 блок-схема работы ЭВМ.

Устройство (фиг.1) содержит следующие элементы: 1 лазер (с коллиматором); 2 лазер (с линзой); 3 объект (исследования); 4 микроскоп; 5 первое полупрозрачное зеркало; 6 первый оптический затвор; 7 первый оптический управляемый транспарант (ПОУТ); 8 первый блок считывания (ПБС); 9 первое зеркало; 10 второе полупрозрачное зеркало; 11 третий оптический затвор; 12 третий оптически управляемый транспарант (ТОУТ); 13 третий блок считывания (ТБС); 14 линза; 15 телекамера (ТК); 16 первый интерфейс; 17 микроЭВМ; 18 дисплей; 19 монитор; 20 управляемый блок питания оптически управляемых транспарантов (УБПОУТ); 21 блок управления и синхронизации (БУС); 22 второе зеркало; 23 второй оптический затвор; 24 - второй оптический управляемый транспарант (ВОУТ); 25 второй блок считывания (ВБС); 26 второй дополнительный интерфейс; 27 лазер (с линзой).

Из структурной схемы (фиг.1) следует, что выход лазера 1 подключен через последовательно соединенные объект 3, микроскоп 4, первое полупрозрачное зеркало 5, первый оптический затвор 6, ПОУТ 7, ПБС 8, первое зеркало 9, второе полупрозрачное зеркало 10, третий оптический затвор 11, ТОУТ 12, ТБС 13, линзу 14, ТК 15 и первый интерфейс 16 к входу (через двунаправленную шину) микроЭВМ 17; выходом микроЭВМ 17 соединен с входом дисплея 18; отдельный выход интерфейса 16 подключен к монитору 19; два отдельных выхода интерфейса 16 подключены к входам ТК 15; отдельный выход первого полупрозрачного зеркала 5 подключен через последовательно соединенные второе зеркало 22, второй оптический затвор 23, второй оптически управляемый транспарант 24, второй блок считывания 25 к отдельному входу второго полупрозрачного зеркала 10; отдельный выход второго интерфейса 26 подключен к отдельным входам БУС 21, УБПОУТ 20; три отдельных выхода интерфейса 26 подключены к входам первого оптического затвора 6, второго оптического затвора 23 и третьего оптического затвора 11; отдельные выходы БУС 21 подключены к входам лазера 1, лазера 2 и лазера 27; выход лазера 2 подключен к отдельному входу первого полупрозрачного зеркала 5; отдельный выход лазера 27 подключен к отдельному входу второго полупрозрачного зеркала 10; отдельный выход ПБС 8 подключен к отдельному входу ПОУТ 7, отдельный вход ТБС 13 к отдельному входу ТОУТ 12 и отдельный выход ВБС 25 к отдельному входу ВОУТ 24.

Устройство работает циклически: 1) подготовка оптических управляемых транспарантов к работе; 2) запись эталонного изображения (ЭИ); 3) запись текущего изображения (ТМ); 4) формирование и запись суммарного изображения (СИ); 5) формирование и анализ интерференционных полос.

На первом этапе цикла производится подготовка оптически управляемых транспарантов 7, 12, 24 к записи изображения. Для этого на соответствующие входы ПОУТ 7, ТОУТ 12 и ВОУИ 24 от УБПОУТ 20 подается напряжение поляризации. Одновременно с этим от лазера 2 (содержащего коллимирующую линзу, обеспечивающую расходящийся пучок света) через первое полупрозрачное зеркало 5, второе зеркало 22, через открытые первый и второй оптические затворы 6, 23 на ПОУТ 7 и ВОУТ 24, а с аналогичного лазера 28 через второе полупрозрачное зеркало 10, открытый третий оптический затвор 11 на ТОУТ 13 подается (активный для фотопроводника оптических транспарантов) равномерный световой поток. После подготовительного периода ( 30 нс) [6, с. 68-69] устройство готово к записи эталонного, текущего и суммарного изображений (ЭИ, ТИ, СИ).

На втором этапе цикла с помощью лазера 1 (содержащего коллимирующую линзу, обеспечивающую расходящийся пучок света) освещается область исследуемого объекта 3. При освещении объекта 3, содержащего оптически грубую поверхность, когда изменение высоты ее рельефа имеет порядок длины волны падающего света, наблюдается спекл-эффект, представляющий собой изображение в виде зернистой структуры [4, с. 60-61] Каждому участку объекта 3 соответствует определенное спекл-изображение. Это изображение воспринимается и усиливается микроскопом 4 (в качестве которого используется ПМЕ-1 или СБС-9). После этого через полупрозрачное зеркало 5 и оптический затвор 6 первое считываемое изображение (т.е. ЭИ) поступает на ПОУТ 7. Одновременно на ПОУТ 7 подается с УБПОУТ 20 U зап.счит напряжение записи считывания. После записи изображения в ПОУТ 7 оптический затвор 6 закрывается.

После записи ЭИ аналогично формируется и записывается ТИ, которое соответствует этому же участку объекта 3, но в деформированном состоянии. ТИ получается при отражении лазерного пучка света объектом 3 при прохождении его через микроскоп 4, полупрозрачное зеркало 5, второе зеркало 22 и второй оптический затвор 23 на ВОУТ 24. Одновременно на ВОУТ 24 подается с УБПОУТ 20 напряжение записи-считывания. После записи ТИ закрывается второй оптический затвор 23 и начинается процесс считывания ТИ и ЭИ. Причем ЭИ считывается с ПОУТ 7 с помощью ПБС 8, а ТИ с ВОУТ 24 с помощью ВБС 25. Считанные изображения (ЭИ и ТИ) поступают через соответствующие зеркала 9, 10 и открытый третий оптический затвор 1 на третий оптически управляемый транспарант 12 суммарного изображение эталонного (ЭИ) и текущего изображения (ТИ). Одновременно с УБПОУТ 20 подается напряжение записи-считывания, происходит запись суммарного изображения (СИ). После записи СИ закрывается третий оптический затвор 11.

На следующем этапе происходит считывание суммарного изображения с помощью ТБС 13 с ТОУТ 12, линзой 14 его Фурье-преобразование (данного изображения), затем формирование интерференционных полос в фокальной плоскости, которые воспринимает телекамера 15.

После формирования интерференционных полос (полос Юнга) дальнейшая обработка изображения производится на микроЭВМ 17, которая через интерфейс 16 связана с телекамерой 15. Напомним, что далее определяются величины деформации и напряжения участка объекта.

Известно, что величины напряжения и деформации поверхности могут быть вычислены в любой точке исследуемого объекта [4] Например, по интерференционным полосам можно определить величину деформации, угол разворота деформируемого участка относительно недеформируемого. Для этого необходимо определить направление полос на гало и измерить расстояние между ними:



где Q_x, Q_y относительные смещения ТИ и ЭИ по осям OX, OY;

m увеличение линзы (14);

d_x, d_y смещение деформируемого участка объекта по осям OX, OY в системе координат XOY, связанной с плоскостью исследуемого объекта;

_x, _y угловое смещение деформируемого участка объекта по осям OX, OY;

угол наклона (относительно оси OY) интерференционных полос, пропорциональный развороту исследуемого участка объекта;

l длина волны.

Компоненты напряжения определяются из компонентов деформации по соотношениям напряжения и деформации из формулы:



где E модуль упругости;

коэффициент Пуассона;

a коэффициент теплового расширения;

DT изменение температуры объекта;

_ij тензор дисторсии;

Q_ij матрица деформации;

_ij напряжение.

Таким образом микроЭВМ, определяя величины Q_x, Q_y, оценивает компоненты деформации и напряжения исследуемого участка объекта.

Изображение интерференционных полос выводится на монитор 19. МикроЭВМ 17 также управляет через второй интерфейс 26 работой БУС 21 УБПОУТ 20 и оптическими затворами 6, 11, 2. Текст программы и результаты измерений выводятся на дисплей 18.

На фиг. 2 представлена оптическая часть предлагаемого устройства. Устройство содержит следующие элементы: 1 лазер (с коллиматором); 2, 27 - лазер; 3 объект (исследования); 4 микроскоп; 5, 10 первое и второе полупрозрачное зеркало; 6, 11, 23 первый, третий и второй оптический затвор соответственно; 7 первый оптический управляемый транспарант (ПОУТ); 8, 13, 25 первый, третий и второй блоки считывания соответственно; 12 третий оптический управляемый транспарант; 9, 22 первое и второе зеркало; 14, 31 - 34 линза; 15 телевизионная камера; 24 второй оптический управляемый транспарант (ВОУТ); 28 светоделительный элемент (призма Глана-Томсона); 29 - лазер; 30 расширитель (отражатель).

Как указывалось, сначала производится подготовка оптических управляемых транспарантов 7, 12 и 24 к записи изображения. Для этого от блоков высокого напряжения УБПОУТ 20 подается напряжение поляризации на соответствующие электроды ПОУТ 7 и ВОУТ 24, ТОУТ 12. Одновременно от лазера 2 через линзу 33, полупрозрачное зеркало 5 и зеркало 22, через открытые оптические затворы 6, 23, а с лазера 27 через линзу 34, второе полупрозрачное зеркало 10, через открытый третий оптический затвор 11 подается равномерный световой поток, являющийся активным для фотопроводника управляемых транспарантов 7, 12, 24.

Затем начинается запись на ЭИ. Для этого изображение объекта 3, освещаемое лазером 1, воспринимается и увеличивается микроскопом 4 и через полупрозрачное зеркало 5 и первый (открытый) оптический затвор 6 поступает на ПОУТ 7. Аналогично записывается ТИ, поступающее через микроскоп 4, полупрозрачное зеркало 5, зеркало 22 и второй (открытый) оптический затвор 23 на ВОУТ 24. Далее производится считывание ЭИ и ТИ с транспарантов 7, 24, осуществляемое блоками считывания 8, 25. ПБС 8 и ВБС 25 выполнены аналогично и работают следующим образом [5, с. 99-100]

Считывание осуществляется в режиме на "отражение", при котором производится разделение входного и выходного считывающего света светоделительным элементом 28 (например, призмой Глана-Томсона). Для формирования считывающего луча используется лазер 29, световой луч которого поступает через расширитель (отражатель) 30 и линзу 31 на входную плоскость элемента 28. Затем свет через элемент 28 поступает на ПОУТ и ВОУТ 24, отражается от зеркальных электродов, воспроизводящих геометрический рельеф ЭИ и ТИ, и проходит через элемент 28 на линзу 32. Одновременно на ПОУТ 7 и ВОУТ 24 подается напряжение записи-считывания через электронные коммутаторы от блока питания 20.

Затем ЭИ поступает через зеркало 9 и полупрозрачное зеркало 10 на открытый третий оптический затвор 11, куда также поступает ТИ с выхода блока 25 через полупрозрачное зеркало 10.

Изображения ЭИ и ТИ поступают через открытый оптический затвор 11 на третий оптический управляемый транспарант 12, на который одновременно с УБПОУТ 20 подается напряжение записи-считывания, и происходит запись суммарного изображения. После записи управляемый оптический затвор 11 закрывается. Считывание происходит аналогично описанному выше, при этом включается третий блок считывания (ТБС) 13, с которого изображение попадает на линзу 14, производящую Фурье-преобразование суммарного изображения.

На фиг. 3 представлены ЭИ и ТИ (часть элементов изображений показаны стрелками). Как видно, спекл-изображения представляют собой точечные изображения, относительный сдвиг которых надо определить.

На фиг. 4 представлена структура оптического управляемого транспоранта [5, с. 201, 202] Транспарант функционирует следующим образом.

Модуляция света, основанная на использовании деформации сегнетокерамики при переориентации доменов, применена к конструкции устройства Ferricon (Ferroellectric Iconoscope). На сегнетокерамику 37 с обеих сторон нанесены слои фоточувствительного полупроводника 36, поверх которого нанесены проводящие электроды с входной стороны полупрозрачный 35, а с выходной - зеркальный 38. Перед записью к электродам прикладывается напряжение предварительной поляризации U_nn до получения насыщенной остаточной поляризации, нормальной к поверхностям, и равномерно засвечивают устройство со стороны входа через полупрозрачный электрод 35.

Параметры полупроводника и сегнетоэлектрика выбирают так, чтобы без засветки напряжение было приложено в основном к слоям фотопроводника. Затем к электродам подключают напряжение записи с полярностью, обратной напряжению поляризации, через входной полупрозрачный электрод с помощью активного для фотопроводника света записи на структуру проецируются изображение поверхности 3 (через микроскоп 4 и полупрозрачное зеркало 5) и суммарное изображение. В освещенных участках происходит перераспределение напряжения таким образом, чтобы внешнее смещение было приложено к сегнетоэлектрику. На этих участках происходит локальная переориентация доменов, направление которой зависит от величины приложенного напряжения в данной точке. Переориентация доменов сопровождается появлением локальных механических напряжений, вызывающих деформацию поверхности керамической пластинки, а следовательно, и деформацию выходного проводящего зеркального электрода. Сформированный на его поверхности геометрический рельеф будет воспроизводить распределение освещенности в записываемом изображении.

Для стирания информации производится равномерная засветка структуры активным для фотопроводника светом с одновременной подачей на электроды напряжения предварительной поляризации.

На фиг. 5 представлена принципиальная электрическая схема управляемого блока питания оптического управляемого транспаранта.

УБПОУТ состоит из следующих элементов [8, с. 31] 39 схема И; 40 - схема ИЛИ; 41 коммутатор (реле); 42, 53, 67 74 диод; 44, 51, 54 - транзисторы; 43, 45, 47, 52, 55, 75 резисторы; 46, 48, 49, 50, 58 66 - конденсаторы; 81 трансформатор; 76 80, 82 контакты реле.

УБПОУТ содержит электронный ключ, собранный на транзисторе 44 (V TI), генератор напряжения (транзисторы 51, 54 (V T2 V T3)), трансформатор 81 и умножитель напряжения, собранный на элементах 58 74, кроме того, УБПОУТ включает в себя схемы И, ИЛИ (39 40), используемые для включения режимов "Запись" или "Стирание" ЭИ или ТИ, а также коммутатор 41 (с соответствующими группами контактов К1.1 К.2.3), используемые для включения (отключения) высоковольтного питания.

УБПОУТ состоит из трех одинаковых блоков для питания ПОУТ 7, ТОУТ 12 и ВОУТ 24. Работает УБПОУТ следующим образом. Включение блока питания происходит по сигналам "Запись ЭИ", "Стирание ЭИ", "Запись ТИ", "Стирание ТИ", "Запись СИ", "Стирание СИ", поступающих от интерфейса 26. При поступлении любого из этих сигналов включается генератор, построенный на транзисторах 51, 54, в первичную обмотку трансформатора 81 поступает напряжение. Трансформатор 81 повышает напряжение, дальнейшее повышение напряжения обеспечивается умножителем (элементы 58 74). В случае прихода сигнала "Запись ЭИ" (или "Запись ТИ" или "Запись СИ") катушка реле 41 (К1) обесточена и включена первая половина умножителя. Подается напряжение записи-считывания соответствующей полярности на ПОУТ 7.

При сигнале "Стирание ЭИ", "Стирание ТИ", "Стирание СИ" через ключ включается реле 41 (К1). Оно обеспечивает включение умножителя (второй половины) и переключение полярности на выходе. Таким образом обеспечивается автоматическое переключение полярности и увеличение напряжения для стирания изображения, записанного по ПОУТ 7, ВОУТ 24, ТОУТ 12.

На фиг. 6 представлен вариант исполнения оптического затвора 6, 11, 23. Оптический затвор состоит из следующих элементов [6, с. 183] 82 волноводы; 83 электроды.

Оптический затвор представляет собой волноводный модулятор. При подаче на него с интерфейса 26 логической "1" (управляющего напряжения U_упр) модулятор пропускает оптический сигнал, подающийся на вход (I_вх). В противном случае модулятор прерывает оптический сигнал (оптический сигнал I_вых отсутствует).

На фиг.7 представлен вариант исполнения блока управления и синхронизации 21. Этот блок выполнен для случая управления лазерами, не имеющих системы управления от микроЭВМ (например, от микроЭВМ "Электроника-60"). БУС включает в себя шесть одинаковых коммутаторов 84 89, включающих соответствующие лазеры 1, 2, 27 по сигналам управления, проходящим с интерфейса 26.

Каждый из коммутаторов 84 89 содержит следующие элементы: 90, 93 - резистор; 91 реле; 94 транзистор; 92 диод; 95 конденсатор; 96 - контакты реле.

Работа такого коммутатора проста. Сигнал управления, поступающий от интерфейса 26, открывает транзистор 24 (V T1), который подает напряжение на катушку реле 91 (К1), включающего своими контактами 96 (К1.1) соответствующий лазер 1, 2, 27 или лазеры в блоках считывания 8, 13, 25.

БУС осуществляет следующую последовательность операции:

1) включение лазера 1 при сигналах второго интерфейса 26 "Запись ЭИ", "Запись ТИ";

2) включение лазеров 2, 27 при сигнале "Стирание";

3) включение лазера в ПБС 8, ВБС 25 и ТБС 13 при сигнале "Считывание".

Следует отметить, что конкретное исполнение БУС зависит от типа лазеров. Если в них предусмотрено управление (включение) сигналом U 5B, то необходимость в этой части БУС отпадает: управление будет происходить непосредственно от второго интерфейса 26.

Вариант реализации первого интерфейса 16 описан в [3, с. 202 206] Интерфейс 16 представляет собой буферное запоминающее устройство (БЗУ), позволяющее запомнить изображение, снимаемое (считываемое) телекамерой 15, а также выводить изображение (в виде полос Юнга) на экран монитора 19. Интерфейс 26 обеспечивает управление БУС 21, УБПОУТ 20 и оптическими затворами 6, 11, 23.

В качестве интерфейса 26 можно использовать стандартный интерфейс И2 [9]

На фиг. 8 представлены временные диаграммы работы блоков предлагаемого устройства (электрических и световых сигналов оптической части устройства) в соответствии с управляющими сигналами микроЭВМ. Все необходимые пояснения даны на рис.8.

На фиг.9 представлена блок-схема алгоритма работы ЭВМ, позволяющего оценить ширину и угол поворота интерференционных полос (по которым определяется смещение деформированного участка объекта относительно недеформированного участка).

Работа алгоритма начинается с запоминания изображения интерференционных полос в интерфейсе 16 и перезаписи его в память микроЭВМ (блок 97). Затем происходит оценка ширины интерференционных полос (блока 98) и оценка угла наклона (блок 99). Имея эти данные, по известным соотношениям [4] определяется величина смещения (деформации) (блок 100).

Предлагаемое устройство обладает более высоким быстродействием по сравнению с известным. Покажем это. Быстродействие предлагаемого устройства будет выше в n раз по сравнению с известным, т.е.

где t_пр.у время определения информации предлагаемым устройством;

t_иэв.у время определения деформации известного устройства.

Определим быстродействие предлагаемого устройства



где t₁ время прохождения светового потока от лазера 2 до ПОУТ 7 и ВОУТ 24;

t₂ время подготовки ПОУТ 7 и ВОУТ 24 к записи изображений (стирание информации, находящейся в оптических управляемых транспарантах);

t₃ время прохождения светового потока от лазера 1 до ПОУТ 7;

t₄ время записи эталонного изображения в ПОУТ 7;

t₅ время механической деформации объекта исследования;

t₆ время прохождения луча лазера 1 до ВОУТ 24 (запись текущего изображения);

t₇ время записи текущего изображения ВОУТ 24;

t₈ время считывания изображений, осуществляемых ПБС 8 и ВБС 25 с соответствующих транспарантов 7, 24, прохождение лучей от ПОУТ 7, ВОУТ 24 до ТОУТ 12 и записи суммарного изображения ТОУТ 12 (это быстродействие обусловливается техническими характеристиками ПОУТ 7, ВОУТ 24, ТОУТ 12, УБПОУТ 20, БУС 21);

t₉ время считывания изображения ТБС 13 с ТОУТ 12;

t₁₀ время прохождения светового потока лазера от ТБС 14 до телевизионной камеры 15;

t₁₁ время записи оптического изображения в интерфейсе 16;

t₁₂ время анализа на микроЭВМ 17 (время оценки величины деформаций);

t₁₃ время, затрачиваемое микроЭВМ 17 и интерфейсом 26 на управление оптическими затворами 6, 11, 23.

Подставим конкретные данные в формулу (3). При этом следует отметить, что времена t₁, t₃, t₆, t₁₀ можно не учитывать из-за их малости по сравнению с временами t₂, t₄, t₅, t₇, t₈, t₉, t₁₁, t₁₂, t₁₃ (это обусловлено прохождением лучей со скоростью света между соответствующими блоками устройства). Таким образом, t₁ t₃ t₆ t₁₀ 0. Кроме того, время t₅ деформации объекта можно также не учитывать, так как оно не зависит от реализации устройств и является величиной постоянной.

Времена t₂, t₄, t₇, t₈, t₉ при использовании в качестве сегнетоэлектрика ниобата лития легированного железом равны 3 10^-9 с и более [6, с. 69] Время t₁₁ 20 10^-3 для изображения размером 256 х 256 [3, с. 211] а время t₁₁ + t₁₃ 1,2 10^-5 с. Таким образом, t_пру (3 10^-9) 5 + 2 10^-2 + 1,2 10^-5 0,02012 с.

Быстродействие известного устройства определяется следующим выражением:



где время прохождения светового потока от лазера 1 до объекта 3 и далее на телевизионную камеру 15;

время записи ЭИ в память интерфейса 16;

время записи ТИ в память интерфейса 16;

время, затрачиваемое на деформацию объекта;

время обработки информации на микроЭВМ 17 (формирование взаимно-корреляционной функции, оценка линейных координат определение деформации объекта).

Время можно не учитывать из-за распространения потока со скоростью света. Времена [3, с. 211] Время можно не учитывать также, как и время t₅. Время 15 с (для изображений размером 256 х 256) и более.

Подставляя данные в формулу (4), получаем

t_изв.у= 20 10^-3 + 20 10^-3 + 15 с 15,04 с.

окончательно по формуле (2) получаем

.

Таким образом, предлагаемое устройство в 745,5 раза быстрее определяет деформацию участка объекта.

Литература

1. Оптический способ и устройство для анализа деформации. Патент США N 4690552, М.кл³ G 01 B 9/02, 11/16.

2. Способ и устройство для определения напряжений и деформаций в трубопроводах, напорных резервуарах, конструкционных элементах и других деформируемых объектах. Заявка PCT N 87/07365, М.кл³ G 01 B 11/16.

3. Кориков А. М. Сырямкин В.И. Титов В.С. Корреляционные зрительные системы роботов. Томск: Радио и связь, Томский отдел, 1990, 264с.

4. Джоунс Р. Уайкс К. Голографическая и спеклинтерферометрия. Пер. с англ. М. Мир, 1986, 328 с.

5. Захаров И. С. Пространственно-временные модуляторы света. Томск: Изд-во ТГУ, 1983, 264 с.

6. Акаев А. А. Майоров С.А. Оптические методы обработки информации. М. Высшая школа, 1988, 238 с.

7. Андреев Ю.А. и др. Корреляционно-экстремальные видеосенсорные системы для роботов. Томск: Из-во ТГУ, 1986, 240 с.

8. Рубинштейн И. Преобразователь напряжения для питания счетчика Гейсера-Мюллера. Радио, N 9, 1991, с.31.

9. МикроЭВМ: В 8-ми кн. Практическое пособие./ Под ред. Л.Н. Преснухина. Кн.1. Семейство ЭВМ "Электроника-60". М. Высшая школа, 1988, 172 с.