• Nie Znaleziono Wyników

Some practical problems of displacement and strain measurement by incoherent superposition of interferograms

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Some practical problems of displacement and strain measurement by incoherent superposition of interferograms"

Copied!
8
0
0

Pełen tekst

(1)

1 STOSOWANA 1/ 2, 22 (1984)

SOME PRACTICAL PROBLEMS OF DISPLACEMENT AND  STRAIN MEASUREMENT BY IN COHEREN T SU PERPOSITION  OF INTERFEROGRAMS PIOTR  W E S O Ł O W S K I

Institute of Physics Technical University Budapest

In this paper the suitability of using the regulated pathlengh interferometer due to autom atization of 3- D  displacement and surface strain measurement as well as problems faced in dealing with th e accuracy of the measurements are examined. D ata needed for determining all three com ponents of displacement vector are stored on single plate. The displacement and deformation of surface point of a disc subjected to diametral compression was measured to investigate the effectiveness of this technique. Introduction The quantitative investigation of displacement vector fields by holographic interfe-rometry requires recording in at least three different interferograms. The conventional multiple hologram m ethod [3] gives different perspectives for views through each of the plates.

Considering th e autom atization of the evaluation of holograms (the first problem-autom atization of fringe counting) the im portan t problem is, what kind of interferometer should be used. I n this experiment such an interferometer was chosen, which records independent interferograms simultaneously by incoherent superposition of holograms [6]. The m ost im portan t property from a point of view of automatic fringe inspection is an accurate identification of corresponding object points on each of interferograms; this is because of the same observational direction for all the interferograms.

Regarding the m ethods of evaluation of the displacement vector, the authors [2] examining the H aines an d H ildebrand method, the Bronch- Bruevich single hologram m ethod as well as the improved version of the latter (D hir- Sikora method), have arrived at a conclusion t h at by com paring theoretical and experimental results, the most suitable an d with the smallest error is the D hir- Sikora's. This method uses at least four observation points to obtain an overdetermined set of linear simultaneous equations relating the fringe shifts with three un kn own components of displacement and obtains the result by the least square principle [11]. The discrete values of displacement components are smoothed out by cubics splines, after this strains are computed.

(2)

The most important properties of regulated pathlength interferometer The recording of different interferograms on a single plate for evaluation of 3- D  di-splacements is made simultaneously. Independency of interferograms is a result of the absence of correlation between beams not belonging together. The uncorrelation can be realized by producing an optical pathlength difference among corresponding beams, which is larger than the coherence length of the laser used in the experiment. In order to be able to reconstruct interferograms separately there must be present so much reference beams as illumination beams. Holographic displacement measurement Let us investigate the problem in D escartes orthogonal coordinates: y Observation Fig. 1 A displacement vector: L =  Lxi+Lyj+Lzk. (I ) P3 is a point on the object corresponding to a space vector Rp, for the object illuminated from a point source defined by Rt, the reconstructed image can be observed from a point described by R2. Let us define the illumination vector Kt and the observation vector K2: Ł . =  xpi+ypj+zp_k, (2) tr — i * * - * I )2  +  (yP- yt) 2 (x2- xp)i+ (y2- yP \ Rz k- Ku A ~ 2 where Kt, K2 are the unit illumination and observation vectors, respectively, and \ St\ -  \ Et\  -  k -   - jp (3) (4) (5)

(3)

is the magnitude of these vectors, with the wavelength X of the laser light. The phase shift due to observations of the viitual image from different directions can be written as: Ó = K­L = 2nN. (6) where 2nN = Q (7) is fringe locus function. K matrix consist of m different sensitivity vectors: K = K1 K2 K3 where (8) Km = KT-KT, and tn 2: 3, means number of observations. Independent on how carefully and how many observations are made, there will be always some errors E. F — K• T —O f 91 The purpose of the analysis is to mininalize all of the errors squared, that is: In order to minimize the square of error the partial derivates of Eq. (10) must be zero: r ­ ­— I > UfC" — Km\ • T —  Qml2l — 0  n n where i =» x, y, z m = 1,2, 3, ...,/• is number of all observations. The solution of Eq. (11) in matrix form is: L = (Kr •  £ ) ­] • KT ­N­2n (12) where KT is transposed matrix of K. Experiment As a model there was used a plexiglass disc with diameter 90 mm, thickness /; = 10 mm (E = 3.2 • 104 N/m2, fi = 0.385) subjected to diametral compression [4]. The optical elements used in experiment: M­mirrors, BS­beamsplitters, COLL.­colli­ mators, PL­microscope lens with pinholes, H­holographic plate (Agfa Geavert 8E75), O­object, L­He­Ne laser with output power of 50 mW. In the measurement the „zerofringe" method was applied by using an elastic strip

(4)

d

M4 which was stuck between the loading framework and the holographic slab. Two collimators (Carl Zeiss Jena make) were used for producing two plane wave references  ( 0 50 mm). The basic principle of building of holographic interferometers is to maximalise it's sensitivity on. the smallest displacement component and to decrease it's sensitivity on the largest displacement component. The illumination points (P ILI, P2L2) were chosen accordingly to sensitivity of the Lz component and Lx, Ly components, respectively.

The difference of the optical pathlengths between corresponding beams was Al =  1820 mm. Evaluation of interferograms Interferograms were recorded in double- exposure method. They were evaluated along horizontal as well as vertical diameter. In the reconstruction process the holographic plate was illuminated by original reference beams; the two independent interferograms were photographed through six observational points (Fig. 4) Typical fringe pattern belonging to different references are shown on Fig. 5. The numbers of the fringe order were determined semiautomatically on the basis of photographs with interference patterns. In each of investigated points twelve sets of fringe order data were given (six different observational point belong to one reference). The determination of the number of the fringe order looks as follows: the observer marks the geometrical centre on each fringe (black and white) along the investigated line and then with the aid of a drawing digitizer puts the geometrical data and integer fringe number to a computer connected via interface card. The program based on the least square principle chooses an appropriate polynomial and evaluates fractional fringe order numbers at the required points. Displacement components along the horizontal diameter were determined using the Eq. 12. Displacement components: Lx,Ly,Lz along the horizontal diameter were computed in 17 points and are shown on Fig. 6. Displacement components along the verical diameter are shown on Fig. 7. For further derivatives e, = *") / 7" \ „ " only the central range of y e ay

(5)

KT'MtfB Fig. 5 G (—28.125; 28.125) is considered because of boundary disturbances due to applied forces. From the Fig. 7 can be seen, that point ^4(0; — 45 ;0) practically didn't] move so the orthogonal coordinates can be reduced at that point. The rigid body motions are expressed in rotations ©x,, 0r, @z,. i i i i i i i i I—l—i i—i—i—i—i [ I 1 1 I I I L_J Fig. 6

From the plots of Fig. 6 and Fig. 7: 6X, = 3.67 • 10­5(rad), Qy, = 6.1 • 10"6 (rad), <92, =

= 3.15­10­5 (rad).

To obtain the value of deformation the values of Lx(x, y = const), Ly{x, y = const), Lx{x — const, y), Ly{x = const, y) at discrete points of the surface are needed; afterwards there is a need to smooth the data by fitting an apprioprate curve to it. Smoothed spline functions [1], [8] are appropriate choice for fitting the displacement data as the objective of subsequent differentation. They are attractive for three reasons: their definition is based on the theory of mechanical deformation, second derivates are understood a priori, and their application to interferometrie determination of strain has been studied [13]. The values ex evaluated along horizontal diameter are shown on Fig. 8 and the values of ey are shown on Fig. 9.

(6)

Fig. 7 1 1 1 1 1 ­ >

­ /s

­ • 1 1 1. 1 1 1 1 < " / * ­ ­ i i e^ 7

ir

5 3 2 1 .I . J i l l [1O"S] . - - * ._ / \ \ 1 I 1, I 1. 1 1 -— i 1 ­7/8 ­6/8 ­5/8 ­4/8 ­3/8 ­2/8 ­1/8 0 1/8 2/8 3/8 4/8 5/8 6/8 7/8 x/R Fig. 8 1 / 1 ­5/i 1 j | i­4/8 1 / ­3/8 1 ­2/8 i ­1/8 I 0 -7 -8 - 9 1/8 1 •» -| 2/8 1 ^< | Vertical D. 3/8 4/8 5/8 1 1 1 • • .^experim. Y^stheory

V

s

i i i y/R 1 I

X

1 Fig. 9 [74]

(7)

Discussion about accuracy of the measurement There are two main error sources: a) errors associated with measuring the system geometry b) innacurate determination of fringe order values. Two inequalities corresponding to these errors are as follows (8): where cond ® =  \ \ g\ \  •  \ \ gr% (15) is the value characteristic of the sensitivity of interferometer, and

11jp I =  (max •  eigenvalue of Ę T

 •   ^ 2

, (16) where KT is transpose matrix of K.

F or quick determination of the error, which is found by evaluation of displacement vector components another way was proposed [12]:

where <pk is an angle between (—K\) and K\  vectors and ANijQc) is an absolute error occured by reading fringe order values. H ere: A<pk =  1° (0.17 rad) Nu(k) =  0.25 cpk = 62.3° So depending on the fringe order, the accuracy changes in range of 8% g, 6Lk ^ 13.5%; for the central part of disc dLu. Ś 9%. Obviously, a lower fringe order results in higher error. This error is transported into deformation countings. But, knowing the character of displacement by choosing a sufficient „ smooth factor" [1] the spline functions can be better fit to discrete points of displacement. However, if the character of displacement is unknown, there is a custom to give for smooth factor value of standard deviation [13]. Recapitulation Suggestions The difference between theoretical and experimental results can be explained at first by small size of the hologram plate ( 6x9 cm), which caused too small shifts of fringe order by changing observational points. The second main reason considered, could be found in the model loading system, which didn't load the disc pointwise as it is assumed in theory. Small rotations were observed, but their influence on the strains are negligible. By examining small models it would be worth testing the usefulness of reflection holograms in evaluating displacement field. U sing reflection hologram in setup similar to proposed (only the hologram plate is closer to model), large fringe order shifts can be obtained which results in higher accuracy.

(8)

Acknowledgment The author thanks Z. Fuzessy, for helpful discussions and proofreading the manuscript and acknowledges the contribution of G. Szarvas, who provided frequent helpful con-sultations. This work was done in Institute of Physics at Technical University, Budapest. References 1. Ch. H . REINSCH, Smoothing by spline functions, N umerische Mathematik 10, 177- 183, 1967, 2. R. J. PRZYPUTNIEWICZ, W. W. BOLEY, Techniques of holographic displacement measurement; an expe-rimental comparison, Applied Optics, vol. 17, n r. 11, 3. A. E. ENNOS, Measurement of in plane strain by hologram interferometry, J. Sci. Instrum., Ser. I I , 1, 731- 746, 1968, 4. C. A. SCIAMARELLA, J. A. GILBERT, Strain analysis of a disc subjected to diameteral compression by means of holographic interferometry, Applied Optics, vol. 12, nr. 8,

5. R. E. ROWLANDS, T. LIBER, I . M. DANIEL, P. G . ROSE, Higher—order numerical differentiation of expe-rimental information, Exp. Mechanics, March 1973,

6. Z. FttzESSY, Methods of holographic interferometry for industrial measurements, Periodica Polytechnica, vol. 21, nr. 3- 4,

7. A. G . KOZACSOK, G . A. KEZERASHVILI, YU . A. RAKUSHIN, YU . N . SOLODKIN, Izmierenje deformacij i napriazhenij mietodami gohgrafkheskij interferometrii, G olograficheskije Izmieritelnyje Sistiemy, 58- 75 N ovosibirsk, 1976,

8. Ch. M. VEST, Holographic interferometry, Johny Wiley and Sons, 1979,

9. N . I . MUSKHELISHVILI, Theory of elasticity, P. N oordhoff Ltd. G roningen- H olland, 1953, 10. J. E. SOLLID, K. A. STETSON, Strains from holographic data, Experimental Mechanics, June 1978, 11. S. K. D H IR, J. P. SIKORA, An improved method for obtaining the General displacement field form holo-graphic interferogram, Exp. Mechanics, 323- 327, 1972, 12. Yu. SOLODKIN, Golograficheskij interferometr kak izmieritebiyj priyor, Avtomietria 64, 1973, N r. 5, 13. L. H. TAYLOR, G . B. BRANDT, An error analysis of holographic strains determined by cubic splines, Exp. Mechanics, 534- 548, 1973. P e 3 IO M e

H EKOTOPBIE nP AKTH ^IECKH E IIPOEJIEM BI H 3M E P E H H K I I E P E M E m E H H ft H ,HE<t>OPMALi;Hfł   n P H  H H KOrE P E H TH OH  C ynEP nO3H Li;H K[ H H T E P O E P O rP AM M HHcbopiwainm o MexaHiwecKHX xaparcrepHCTHKax oSieKTOB B 3KcnepyMeiiTaJiŁnoJi Mexamroe n on y-«aeTCH  H3 3KcnepHMeHT0B n o onpefl&Jieinno nojieft fledropiwamni H  HanpHHceriHH. flJia TaKHX H ccneao-BaHHH MoryT 6tix& Hcnonb3OBaHbi MeTOflH  roJiorpadpn^ecKoft HHTepi})epoMeTprai. B DTOH paSoTe noKa-3aHo onpe^eJieHHe nojia nepeiwemeHHH  ToueK noBepxHOCTH  oSieKTa H cnoJit3yH  HHiepdiepOMeTp c pery-HHpoBaHoii OHTHKOH njrreM, KOTopbrił  # aeT BO3MO>KHOCTB aBTOAiaTHqecKoft Hncnei<L(HH HHTepcbeporpamM. JlH CKpemoe n on e nepememeraia araipoKCHMHpoBaHo c noiwomtio cn^aiiH- diyHKLiHH  TpeTtero n opn ^Ka H onpefleneHO flediopMai;H io fljM flaaMeipanbH o cwaToro flH CKa.

S t r e s z c z e n i e

PEWN E PROBLEMY PRAKTYCZN E POMIARÓW PRZEM IESZCZEŃ  I OD KSZTAŁCEŃ PRZY N IEKOH EREN TN EJ SU PERPOZYCJI IN TERF EROG RAM ÓW

Pokazano przykł ad zastosowania interferometrii holograficznej do pomiaru przemieszczeń i odkształ -ceń za pomocą  interferometru z dwiema wzajemnie niespójnymi wią zkami odniesienia. Moż liwoś ć obser-wacji tego samego punktu badanego ciał a na róż nych interferogramach — zmieniają c wią zki odniesienia pozwala na automatyzację  odczytu prą ż ka bez koniecznoś ci identyfikacji punktów powierzchni. Przepro-wadzony eksperyment ma na celu zbadanie efektywnoś ci tej techniki.

Cytaty

Powiązane dokumenty

Marianna Tomaszewska  University of Gdansk, Faculty of Economics  2 nd  year SS2 MSG, Międzynarodowe Strategie Marketingowe   

Hogarth więc nie mógł się był urodzić po Byronie, a dziś urodzony wcale byłby inaczej malował.. Sztuka stała się dziś surowszą: wstąpił w nią duch namysłu, duch

In this work, we have proposed an accurate and robust multiple time step Monte Carlo method to simulate the SABR model with only a few time steps. The mSABR method employs

Szkoła Główna Koronna w okresie wizyty i rektoratu Hugona Kołłątaj 1777-1786 oraz Uniwersytet Jagielloński w dobie Komisji Edu- kacji Narodowej.

Een samenvattend en gestyleerd beeld van de ontwikkeling van de stormvloed op de Noordzee wordt gegeven in figuur 4.5.1. In deze figuur zijn de 21 peilschalen

W prezentacji zostanie zwrócona uwaga szereg działań marketingowanych stosowanych w przemyśle perfumeryjnym wyjaśniające dlaczego klienci chcą konkretnego zapachu,

Celem w ykopu było u stalenie istn ien ia konstrukcji znajdujących się bezpośrednio przed bram ą.. Celem w ykopu było ustalenie stra ty g rafii po zachodniej stronie

Cytat wyjęty z powieści C am usa, zam ykający kronikę dżum y w Oranie, jest bar­ dzo w ym owny, poniew aż charakteryzuje nie tylko postawę francuskiego autora, ale