EXPERIMENTÁLNE METÓDY MECHANIKY LASEROVÁ VIBROMETRIA A ESPI

Transkript

1 TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH František TREBUA Róbert HUADY Martin HAGARA Miroslav PÁSTOR EXPERIMENTÁLNE METÓDY MECHANIKY LASEROVÁ VIBROMETRIA A ESPI EDÍCIA VEDECKEJ A ODBORNEJ LITERATÚRY Košice, 2015

2 Dr.h.c. mult. prof. Ing. František TREBUA, CSc. doc. Ing. Róbert HUADY, PhD. Ing. Martin HAGARA, PhD. doc. Ing. Miroslav PÁSTOR, PhD.. Experimentálne metódy mechaniky Laserová vibrometria a ESPI Lektori: prof. Ing. Ján Vavro, PhD. TrU A. Dubeka prof. Ing. František Šimák, CSc. TU v Košiciach ISBN: EAN

3 TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH, STROJNÍCKA FAKULTA Katedra aplikovanej mechaniky a strojného inžinierstva OBSAH PREDHOVOR 7 1 TEORETICKÉ ZÁKLADY Z OBLASTI LASEROVEJ VIBROMETRIE LASER A LASEROVÉ SVETLO Bohrov atóm, fotóny a ich energia Spontánna a stimulovaná emisia Inverzná populácia Optické rezonátory Rezonátory s pozdžnymi módmi Rezonátory s prienymi módmi Hélium-Neónový laser DOPPLEROV JAV Detektor v pohybe, zdroj v pokoji Zdroj v pohybe, detektor v pokoji Rovnica všeobecného Dopplerovho javu Dopplerov jav pri malých rýchlostiach Nadzvukové rýchlosti, rázové vlny DOPPLEROV JAV PRI SVETLE MICHELSONOV INTERFEROMETER MACH-ZEHNDEROV INTERFEROMETER URENIE ORIENTÁCIE VEKTORA RÝCHLOSTI URENIE VÝCHYLIEK POVRCHU KMITAJÚCEHO OBJEKTU 38 2 LASER DOPPLEROVE VIBROMETRE LASEROVÉ VIBROMETRE PRE MERANIE V JEDNOM BODE Princíp innosti laserového vibrometra znaky Polytec Laserový vibrometer Polytec PDV Princíp innosti laserového vibrometra znaky Ometron Laserový vibrometer Ometron VH SKENOVACIE LASER DOPPLEROVE VIBROMETRE Skenovací zrkadlový systém Techniky skenovania Skenovací vibrometer Polytec PSV

4 4 EXPERIMENTÁLNE METÓDY MECHANIKY LASEROVÁ VIBROMETRIA A ESPI Obsah 2.3 ŠPECIÁLNE TYPY LASEROVÝCH VIBROMETROV Diferenciálny vibrometer In-Plane vibrometer Rotaný vibrometer 61 3 PRÍKLADY VYUŽITIA LASEROVÝCH VIBROMETROV PRI ANALÝZE KMITANIA EXPERIMENTÁLNA MODÁLNA ANALÝZA INELA POUŽITIE SKENOVACIEHO VIBROMETRA PRI ANALÝZE KMITANIA ROTUJÚCEHO DISKU 66 4 VLNOVÉ VLASTNOSTI SVETLA INTENZITA SVETLA INTERFERENCIA SVETLA Interferencia dvoch vn s rovnakou frekvenciou Interferencia dvoch vn s rôznou frekvenciou Interferencia dvoch vn s rôznou amplitúdou KOHERENCIA asová koherencia Priestorová koherencia DIFRAKCIA Fresnel-Kirchhoffov difrakný integrál Fresnelova difrakcia Fraunhoferova difrakcia Optická difrakcia ako prenos lineárnym systémom ŠKVRNY A SPECKLE-EFEKT Speckle intenzita a fáza Vekos škvn 96 5 HOLOGRAFIA A HOLOGRAFICKÁ INTERFEROMETRIA ZÁKLADY HOLOGRAFIE Základné rovnice holografického procesu Základné typy hologramov Základné vlastnosti hologramov Princípy digitálnej holografie HOLOGRAFICKÁ INTERFEROMETRIA Tvorba interferenných pruhov v holografickej interferometrii 109

5 TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH, STROJNÍCKA FAKULTA Katedra aplikovanej mechaniky a strojného inžinierstva Princíp vytvárania interferenných pruhov pri metóde dvoch expozícií Metóda reálneho asu Metóda asového priemeru Metóda posunutia fázy Holografické interferenné obrazce a ich interpretácia Urenie premiestnení na základe využitia parametrov lokalizácie a kontrastu interferenných pruhov Interpretácia interferogramov na základe absolútneho radu pruhov Interpretácia interferogramov na základe relatívneho radu pruhov OBLASTI VYUŽITIA HOLOGRAFICKEJ INTERFEROMETRIE Meranie deformácií na povrchu objektov Nedeštruktívne hodnotenie materiálu Analýza kmitania Metóda Powella a Stetsona SPECKLE-INTERFEROMETRIA A ELEKTRONICKÁ SPECKLE- INTERFEROMETRIA ZÁKLADY SPECKLE-INTERFEROMETRIE Korelaná speckle-interferometria Speckle-interferometria s posunutím fázy Aplikácia speckle-fotografie a speckle-interferometrie ELEKTRONICKÁ SPECKLE-INTERFEROMETRIA (ESPI) Meranie posunutí v smere normály k vyšetrovanej ploche Meranie posunutí v rovine rovnobežnej s obrazovou rovinou Meranie posunutí v priestore Posunutie a rozbalenie fázy Technika asového posunutia fázy Technika priestorového posunutia fázy Rozbalenie fázovej mapy Výpoet posunutí a pomerných deformácii MERACIE ZARIADENIA PRE ELEKTRONICKÚ SPECKLE- INTERFEROMETRIU Systém Q Systém Q Systém Q-500 (3D Vibro ESPI) Systém Q-600 (PulsESPI) 156 5

6 EXPERIMENTÁLNE METÓDY MECHANIKY LASEROVÁ VIBROMETRIA A ESPI Obsah 7 PRÍKLADY VYUŽITIA ELEKTRONICKEJ SPECKLE-INTERFEROMETRIE V NAPÄOVO-DEFORMANEJ ANALÝZE APLIKÁCIA METÓDY ESPI PRI ANALÝZE ZVYŠKOVÝCH NAPÄTÍ ŠTVORBODOVÝ ROVINNÝ OHYB NOSNÍKA NAPÄOVO-DEFORMANÁ ANALÝZA VZORIEK Z KOMPOZITNÉHO MATERIÁLU POROVNANIE METÓDY ESPI A DIC PRI VYŠETROVANÍ DEFORMÁCIE V OKOLÍ KONCENTRÁTORA NAPÄTOSTI DIGITÁLNA SPECKLE-SHEAROGRAFIA PRINCÍP DIGITÁLNEJ SPECKLE-SHEAROGRAFIE MERACIE ZARIADENIA PRE DIGITÁLNU SHEAROGRAFIU Systém Q Systém Q LITERATÚRA 179 6

7 TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH, STROJNÍCKA FAKULTA Katedra aplikovanej mechaniky a strojného inžinierstva PREDHOVOR Súasným trendom v oblasti experimentálnej mechaniky sú moderné optické metódy, ktoré majú oproti konvenným technikám celý rad predností. Aj ke fyzikálny princíp väšiny týchto metód je známy už celé desaroia, k ich najvýznamnejšiemu rozšíreniu došlo až v posledných rokoch. Tento rozmach úzko súvisí s pokrokom, ktorý sa dosiahol v oblasti výpotovej techniky a digitálneho spracovania obrazu a ktorý v konenom dôsledku viedol k vytvoreniu komerne využitených systémov. Hlavnou prednosou vyspelých optických metód je možnos realizova celopoové bezkontaktné merania na plochách od jednotiek milimetrov až po metre štvorcové a to na vzdialenosti i niekoko desiatok metrov. Medzi takéto metódy možno zaradi najmä tie, ktoré na meranie využívajú laserové svetlo resp. laserový lú. V oblasti analýzy kmitania, vibrodiagnostiky, akustiky a pod. sú to najmä laser Dopplerove vibrometre; v oblasti testovania materiálov a mechanických skúšok je to napríklad metóda elektronickej speckle-inerferometrie alebo speckle-shearografie. Vaka vysokej presnosti sú tieto prístroje využívané nielen v oblasti výskumu a vývoja, kde nachádzajú široké uplatnenie, ale tiež na verifikáciu a spresovanie numerických modelov a pre úely kalibrácie konvenných snímaov. Pritom využitie týchto meracích systémov úž dávno nie je doménou len špikových vedeckých pracovísk. Tieto aspekty viedli autorov k napísaniu vysokoškolskej uebnice Experimentálne metódy mechaniky Laserová vibrometria a ESPI, ktorá je prioritne urená ako študijný materiál pre študentov 3. roníka bakalárskeho štúdia a 1. a 2. roníka inžinierskeho štúdia strojárskych alebo im príbuzných odborov. Keže ide o vôbec prvú slovenskú uebnicu týkajúcu sa týchto moderných metód experimentálnej mechaniky, môže slúži aj ako vhodný podkladový materiál pri riešení bakalárskych, diplomových, i dizertaných prác. Cieom predkladanej publikácie je vysvetli základné princípy laser Dopplerovej vibrometrie (LDV) a elektronickej speckle-interferometrie (ESPI), popísa metodiky meraní a poukáza na praktické využitie meracích systémov spoloností Polytec a Dantec Dynamics v oblasti kmitania a v oblasti napäovo-deformaných analýz. Autori pri zostavovaní uebnice nadviazali na poznatky uvedené v monografiách Príruka experimentálnej mechaniky (Trebua F., Šimák, F.) a Využitie optických metód v experimentálnej mechanike I a II (Trebua F. et al.), priom informácie erpali z diel význaných osobností, ako aj z vlastných skúseností a výsledkov výskumnej innosti nadobudnutých poas dlhoronej práce s jednotlivými zariadeniami a pri riešení úloh v rámci vedeckých projektov a v spolupráci s praxou. Naše poakovanie patrí predovšetkým lektorom uebnice prof. Ing. Jánovi Vavrovi, PhD. z TnU AD v Treníne a prof. Ing. Františkovi Šimákovi, CSc. z TU v Košiciach, za dôsledné preštudovanie rukopisu, cenné rady, podnety i pripomienky, ktorými výrazne prispeli ku skvalitneniu uebnice. Uebnica bola spracovaná v rámci riešenia projektu KEGA 021 TUKE-4/2013 Využitie moderných optických metód experimentálnej mechaniky pre rozvoj vedomostnej bázy študentov druhého a tretieho stupa vysokoškolského štúdia. itateom uebnice želáme množstvo inšpirácií smerujúcich k odhaleniu nepoznaného a súasne sa obraciame s prosbou o námety, postrehy, prípadne pripomienky, ktoré budú vies k alšiemu zdokonaleniu uebnice v oblasti vysvetlenia teoretických princípov, aplikaných postupov, prípadne i alšieho využitia experimentálnych metód mechaniky. Košice, Autori 7