ESPI

Badania elementów i zespołów maszyn – laboratorium (MMM4035L) Ćwiczenie 23.

Zastosowanie elektronicznej interferometrii obrazów plamkowych (ESPI) do badania elementów maszyn.

Opracowanie: Ewelina Świątek-Najwer na podstawie materiałów przygotowanych

przez Dr inż. Krzysztofa Ścigałę

Zastosowanie elektronicznej interferometrii obrazów plamkowych

(ESPI) do badania elementów maszyn

Strona 2

Metoda ESPI

Elektroniczna interferometria obrazów plamkowych (ESPI) jest odmianą interferometrii

plamkowej, wykorzystującą metody elektronicznego przetwarzania i analizy danych. System

ESPI umożliwia zarejestrowanie obrazów plamkowych za pomocą kamery wideo lub aparatu

cyfrowego, natomiast dalsza analiza i przetwarzanie danych odbywa się za pomocą metod

elektronicznych, zarówno analogowych jak i cyfrowych. Metoda ESPI może być

wykorzystywana w badaniach przemieszczeń jako alternatywa dla fotografii plamkowej

i interferometrii holograficznej, szczególnie w przypadku, kiedy niezbędny jest pomiar

wszystkich składowych wektora przemieszczenia punktów powierzchni obiektu. Metoda

umożliwia pomiar zarówno w warunkach statycznych, jak i pomiar deformacji

spowodowanych drganiami.

Wady i zalety W porównaniu do standardowej metody interferometrii plamkowej, metoda ESPI

posiada następujące zalety:

czułość aparatów cyfrowych jest wyższa niż w przypadku płyt holograficznych, dzięki

czemu możliwe jest rejestrowanie obrazów plamkowych przy krótkim czasie

ekspozycji (krótki czas ekspozycji pozwala zmniejszyć wpływ drgań);

niski koszt pomiarów (brak konieczności zastosowania drogich materiałów: płyt

i filmów o wysokiej rozdzielczości);

szybkie elektroniczne przetwarzanie danych powoduje, że pomiar przebiega w czasie

rzeczywistym;

nowoczesne systemy ESPI mogą być stosowane w obecności innych źródeł światła;

małe wymiary nowoczesnych kamer CCD pozwalają na wykonywanie małych,

przenośnych systemów pomiarowych; w przypadku miejsc trudno dostępnych

pomiary można wykonywać dzięki zastosowaniu falowodów.

Metoda ESPI ma następujące wady:

rozdzielczość przestrzennej kamery CCD jest niższa niż w przypadku płyt

holograficznych lub filmów, co oznacza, że część informacji zostanie utracona

i zakres pomiaru będzie ograniczony;

koszty systemu pomiarowego są znacznie wyższe niż koszty tradycyjnych układów do

interferometrii holograficznej lub fotografii plamkowej.

Układ pomiarowy Układ pomiarowy (rys. 1) składa się z dwóch części: optycznej i elektronicznej. W części

optycznej generowany jest obraz plamkowy (rys. 2a), natomiast w części elektronicznej obraz

przekształcany jest w cyfrowy zbiór danych, a na jego podstawie generowane są korelogramy

(rys. 2b), które poddawane są dalszej cyfrowej analizie. Część optyczną układu stanowi

interferometr plamkowy (rys. 3). Najczęściej część optyczna generuje dwie wiązki (niektóre

systemy wykorzystują również wiązki wielokrotne), tj.: wiązkę obiektową i wiązkę

odniesienia, będące efektem działania tzw. dzielnika wiązki. Efekt interferencji obu wiązek

skierowanych na jedną płaszczyznę jest rejestrowany przez kamerę CCD.

Część elektroniczna układu pomiarowego służy do zapisu i przetwarzania interferogramów

plamkowych zarejestrowanych przez kamerę CCD. Głównym zadaniem części elektronicznej

jest wyznaczenie prążków wtórnego korelogramu. Obraz prążkowy widoczny na monitorze



Strona 3

jest wynikiem jakościowym, jego dalsze analizy dają możliwość oceny ilościowej, np.

w postaci „mapy” przemieszczeń.

Rys. 1. Schemat optycznej i elektronicznej części systemu pomiarowego ESPI

(oznaczenia poniżej)

WIĄZKA 2 WIĄZKA 1

KORELOGRAM PIERWOTNY

KORELOGRAM WTÓRNY

GENEROWANIE

PRĄŻKÓW

PREZENTACJA W

CZASIE

RZECZYWISTYM

OCENA

ILOŚCIOWA

ANALIZA

PRĄŻKÓW

OCENA

JAKOŚCIOWA

CCD

X1 X2



Strona 4

MA - modulator amplitudy, DW - dzielnik wiązki, MF - modulator fazy

DOF - urządzenie do dekorelacji plamki, O – obiekt, CCD - kamera CCD

i1, i2 - faza fali światła generowanej przez laser (w wiązce 1 i wiązce 2)

X1, X2 - zmierzona wartość w wiązce 1 i 2

o1, o2 - faza fali świetlnej po odbiciu od powierzchni zmierzonego i znormalizowanego obiektu

p1, p2 - faza plamki zależna od chropowatości powierzchni mierzonego i znormalizowanego

obiektu

o - faza fali świetlnej, będącej wynikiem interferencji wiązki 1 i 2

r - zmiana fazy, spowodowana propagacją fali źródła światła laserowego do aparatu

p - faza plamki na obrazie, który jest wynikiem interferencji wiązki 1 i 2.

Procedura pomiaru Procedura pomiaru składa się z 4 etapów: pierwszy i drugi przebiega w części

optycznej, trzeci i czwarty w części elektronicznej.

Pierwszy etap polega na wygenerowaniu interferogramu plamkowego związanego

z oświetloną powierzchnią. Sygnałami wejściowymi są w tym przypadku i1, i2 - fazy fal

światła lasera w wiązce 1 i 2, oraz X1, X2 - sygnały mierzone wiązki 1 i 2. Wyjściowym

sygnałem jest interferogram, który jest wynikiem interferencji fal wiązki 1 i 2 (rys. 2b).

Najważniejszym parametrem tego obrazu jest faza plamki na obrazie p.

Drugi etap procesu jest związany z zarejestrowaniem obrazu plamek przez kamerę

CCD. Sygnał wyjściowy, tj. obraz cyfrowy nazywa się korelogramem pierwotnym.

Korelogram pierwotny zawiera informacje o mierzonym rozkładzie jasności plamek, jednak

informacja ta jest zawarta w losowym rozkładzie plamek.

Trzeci etap polega na wygenerowaniu korelogramu wtórnego (prążków)

z widocznymi zmianami średniej intensywności. Prążki mogą być wyświetlone

i w dalszym etapie analizowane w celu uzyskania wyniku ilościowego (rys. 2c).

Czwarty etap jest cyfrową analizą prążków i informacji o wartości mierzonej.

Surowym wynikiem tego etapu jest mapa fazowa, natomiast końcowym wynikiem jest plik

zawierający dane opisujące rozkład wartości mierzonej (rys. 2d).

Rys. 2. Interferogram plamkowy (a), korelogram pierwotny (b),

korelogram wtórny (c) i mapa fazowa (d)

Pierwszy etap pomiaru pozwala wygenerować plamkogram i interferogram plamkowy.

Najważniejsze problemy na tym etapie pomiaru:

każde przemieszczenie powierzchni obiektu, jak również każda zmiana oświetlenia

lub warunków obserwacyjnych wyzwala zmianę fazy plamek;



Strona 5

wynik interferencji plamek z wiązki 1 (wiązki obiektowej) z wiązką 2 (referencyjną)

lub referencyjnym plamkogramem jest różnicą faz plamek wiązki 1 i faz wiązki 2 lub

referencyjnego plamkogramu.

Rys. 3 przedstawia schemat typowego układu optycznego interferometru plamkowego

stosowanego w metodzie ESPI do zapisu rozkładu przemieszczeń w płaszczyźnie rejestracji

(matrycy CCD).

W drugim etapie, kamera zapisuje obraz złożenia dwóch wiązek światła. Sygnał wyjściowy

z kamery jest wynikiem ekspozycji światłoczułego elementu kamery podczas nagrywania

jednej klatki. W przypadku obiektów obciążanych dynamicznie lub w przypadku modulacji

amplitudy lub fazy podczas nagrywania klatek, wyjściowy sygnał będzie wynikiem zapisu

zmiennej intensywności wiązki. Czas zapisu pojedynczej klatki wpływa na sposób, w jaki

różnica faz fal optycznych jest związana z mierzonym i przechowywanym sygnałem

wyjściowym.

Intensywność światła jest uśredniana przez kamerę w postaci uśredniania przestrzennego

pikseli oraz uśredniania czasowego zapisanych klatek. Obraz, który jest wynikiem tego

uśredniania jest korelogramem pierwotnym. Różne parametry kamery (np. czułość) mogą

wpływać na powstawanie wtórnego korelogramu.

Rys. 3. Układ optyczny interferometru do zapisu przemieszczeń w płaszczyźnie rejestracji

Uzyskany korelogram jest podstawą do dalszej analizy cyfrowej (rys.4). Zapis prążków

i wtórny korelogram są uzyskiwane w dwóch etapach. W pierwszym etapie, lokalne zmiany

intensywności światła w każdej plamce są przekształcane w zmienność kontrastu plamek.

W drugim etapie, za pomocą demodulacji kwadratowej przekształcane są lokalne zmiany

kontrastu na prążki wtórne ze zróżnicowaną jasnością.

Automatyczna analiza uzyskanych wyników składa się z 4 etapów.

1. Ocena fazy - ten krok polega na obliczeniu rozkładu przestrzennego fazy.

Wyjściowym parametrem jest tablica wartości fazy odpowiadających mierzonym

sygnałom; tablica ta nazywana jest mapą fazową.

2. Rozpakowanie fazy - etap ten polega na zmianie mapy fazowej w rozpakowaną

tablicę mapy fazowej, bez nieciągłości na prążkach.

3. Usunięcie zakłóceń - podczas procesu generowania prążków i oceny danych pewne

składowe nie związane z mierzonym sygnałem mogą być dodawane do rozkładu fazy.

Jednak składowe te są stałe lub liniowo zależne od współrzędnych przestrzennych

i można je usunąć. W tym kroku wykonywana jest głównie estymacja za pomocą

dopasowania metodą najmniejszych kwadratów.



Strona 6

4. Re-skalowanie - w tym etapie końcowy zbiór danych uzyskuje się poprzez obliczenie

wartości mierzonych na podstawie wartości faz.

Rys. 4. Schemat generowania prążków z pierwotnego korelogramu: a) rozkład natężenia światła

wzdłuż linii AA, b) schemat blokowy, c) obraz plamkowy

Pomiary składowych wektora przemieszczenia

Połączenie lub zwielokrotnienie optycznych układów pomiarowych przedstawionych

na rys. 5 pozwala na pomiar każdej z trzech składowych wektora przemieszczeń.

Rys.5. Układ optyczny interferometru do zapisu przemieszczeń poza płaszczyzną rejestracji (a)

i w płaszczyźnie rejestracji (b)

(przemieszczenia równoległe lub prostopadłe do płaszczyzny rejestracji obrazu)

KORELOGRAM WSTĘPNY

FILTR GÓRNO-PRZEPUSTOWY

DEMODULACJA KWADRATOWA

KORELOGRAM WTÓRNY

obiekt obiekt

soczewka soczewka

kamera

kamera

zwierciadło

zwierciadło

dzielnik wiązki

dzielnik wiązki

zwierciadło zwierciadło



Strona 7

Przemieszczenie zapisywane jest przeważnie w procedurze krokowej. Typowa konfiguracja

optyczna głowicy pomiarowej do rejestracji składowych wektora przemieszczenia w trzech

prostopadłych kierunkach przedstawiona jest na rys. 6.

Rys. 6. Optyczny układ głowicy pomiarowej

do rejestracji trzech składowych wektora przemieszczenia

Streszczenie W nowoczesnej mechanice eksperymentalnej ciała stałego wykorzystuje się polowe

metody optycznej analizy naprężeń, odkształceń i przemieszczeń. Są to łatwe w zastosowaniu

i praktyczne metody. ESPI łączy zalety wszystkich tradycyjnych metod optycznych

z nowoczesnym, automatycznym przetwarzaniem danych. Z tego powodu metoda ESPI jest

jedną z najważniejszych metod analizy przemieszczeń.

Część praktyczna

Celem zajęć jest analiza przemieszczeń wybranego obiektu pomiarowego, za pomocą

układu 3D ESPI Ettemeyer, umożliwiającego pomiar składowych wektora przemieszczenia w

trzech kierunkach. Przykładowo, obiektem badań może być model zdeformowanego stawu

kolanowego, obciążonego pionowo skierowaną siłą wywieraną za pomocą śruby

mikrometrycznej (rys. 7).

W ramach części praktycznej zajęć należy zarejestrować dwa interferogramy

plamkowe dla dwóch stanów obciążenia obiektu, wygenerować mapy fazowe i mapy

rozkładu przemieszczeń.

Znając warunki obciążenia badanego obiektu należy ocenić otrzymane mapy rozkładu

przemieszczeń. Należy zwrócić uwagę na dużą wrażliwość układu pomiarowego na

występowanie drgań podczas badań. Zakłócenia podczas rejestracji mogą w znaczący sposób

zaburzyć otrzymane wyniki, stąd istotna jest krytyczna ocena otrzymanych wyników.

Przykładowy wynik badania składowej wektora przemieszczenia dla modelu stawu

kolanowego przedstawiono na rysunku 7.

obiekt

w płaszczyźnie

WIĄZKA 1

WIĄZKA 2

poza płaszczyzną

wiązka odniesienia

laser,

dioda

kamera



Strona 8

Rys. 7. Układ 3D ESPI Ettemeyer do badania przemieszczeń

(przykład obiektu - model stawu kolanowego)

Rys. 8. Mapa składowej wektora przemieszczenia

wyznaczona dla nasady bliższej kości piszczelowej

Literatura:

1. Ścigała K.:"Experimental analysis of displacement distribution in machine parts using the

electronic speckle pattern interferometry (ESPI) method", Laboratory Handout, 2009.

2. Patorski K., Kujawińska M., Sałbut L., Interferometria laserowa z automatyczną analizą

obrazu, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2005.

ESPI

Documents

Transcript of ESPI