Ekstensometria optyczna z wykorzystaniem interferometrii siatkowej ze sprzężonymi rzędami dyfrakcyjnymi

Sałbut, L.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Ekstensometria optyczna z wykorzystaniem interferometrii siatkowej ze sprzężonymi rzędami dyfrakcyjnymi

Autorzy

Sałbut L.

Identyfikatory

Warianty tytułu

Optical extensometry based on grating interferometry with conjugate diffraction orders

Języki publikacji

Abstrakty

Rosnące wymagania dotyczące niezawodności oraz bezpieczeństwa eksploatacji różnego rodzaju obiektów technicznych wymuszają rozwój metod i urządzeń służących do pomiarów przemieszczeń i odkształceń elementów konstrukcji zarówno na etapie ich projektowania, wytwarzania, jak i użytkowania. Wychodząc naprzeciw tym wymaganiom, w pracy przedstawiono, opracowaną przez autora, nową rodzinę zautomatyzowanych ekstensometrów interferencyjnych z wykorzystaniem interferometrii siatkowej ze sprzężonymi rzędami dyfrakcyjnymi. W pierwszej części omówione zostały podstawy teoretyczne interferometrii siatkowej oraz przykłady istniejących interferometrów. Szczególną uwagę zwrócono na opis interferometrów z głowicą trójzwierciadlaną oraz siatkową. Następnie przedstawiono modyfikacje laboratoryjnego interferometru siatkowego LIS wraz z elementami szacowania niepewności pomiaru. Na przykładzie badania różnego typu złącz pokazano możliwości wykorzystania LIS w optonumerycznych hybrydowych metodach badań. W drugiej części pracy zostały zaprezentowane, opracowane przez autora, nowe laserowe ekstensometry interferencyjne: zautomatyzowany laserowy ekstensometr siatkowy LES oraz rodzina falowodowych mikroekstensometrów siatkowych FaMiS. Ekstensometr LES jest w pełni zautomatyzowanym urządzeniem umożliwiającym prowadzenie pomiarów bezpośrednio na maszynach wytrzymałościowych. Mikroekstensometry FaMiS umożliwiają pomiary lokalnych przemieszczeń/odkształceń i są wykorzystywane do badań mikroobiektów. Szczegółowo przeanalizowano ich konstrukcję i własności oraz podano przykłady zastosowań. W podsumowaniu zasygnalizowano kierunki dalszych prac związanych z budową niskonakładowych zintegrowanych mikroekstensometrów do badania elementów mikrosystemów typu MEMS/MOEMS.

Optical methods of strain measurement constitute a generic technology which supports life cycle performance, safety and reliability assessments, and the design optimization of objects varying in scale from micro-machines to civil engineering structures. One of the most useful optical methods for in-plane displacement/strain measurement and monitoring is grating interferometry. In this work new optical extensometers, based on grating interferometry, are presented. In the first part, theoretical principles of grating interferometry are described and a review of existing interferometers with three-mirror and grating (achromatic) heads is presented. Foliowing this, a modification of the laboratory grating interferometer (LIS) is described and the uncertainty of in-plane displacement measurement is evaluated. For the examples of material joints, testing the usefulness of LIS in opto-numerical hybrid techniques is shown. In the second part, a new family of optical extensometers is introduced. The laser grating extensometer (LES) is a fully automated device which can work directly on the loading machine. The wave-guide grating microcxtensometers (FaMiS) can be used for microelement testing. The design and properties of these extensometers are analysed in detail, and examples of their applications in material engineering and micromechanics are presented. The final section outlines directions for further work connected with the design of low-cost, integrated, interferometric micro-exten-someters for MEMS/MOEMS testing.

Słowa kluczowe

interferometria interferometr ekstensometria ekstensometr pomiary przemieszczeń

interferometry interferometer extensometry extensometer

Wydawca

Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej

Czasopismo

Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Mechanika

Rocznik

2006

Tom

z. 213

Strony

3--78

Opis fizyczny

Bibliogr. 93 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Sałbut L.

Wydział Mechatroniki

Bibliografia

1. Mumford P.M.: Application of microcomputers to mechanical testing of materials, Metal Progress, 118, 1980
2. http://encyklopedia.interia.pl
3. Morris Ch. (ed.): Academic press dictionary of science and technology, Academic Press, 1992
4. http://www.mts.com
5. http://www.zwick.com
6. Settimi T.: Optical extensometry: It's here to stay!, http://www.united.com
7. http://www.optra.com
8. http://www.ametek.com
9. http://www.epsilontech.com
10. http://www.fiedler-oe.de
11. http://www.walterbai.com
12. http://www.instron..com
13. Sałbut L., Kujawińska M., Sitnik R., Dymny G.: Long base optical extensometer for tensile testing machine, Proc. SPIE, 4398, 45-49, 2001
14. Sirohi R.J. (ed): Speckle metrology, Marcel Dekker Inc., New York, 1993
15. Olszak A., Patorski K.: Frequency modulated fiber optic electronic speckle pattern interferometry (ESPI) and its applications. Part I and II, Opto-Electronics Review, v. 5,69-92, 1997
16. http://www.steinbichler.de
17. http://www.ettemeyer.de
18. Steichen W. Et al.: Electronic shearography (ESPSI) for direct measuremen t of strains, Proc. SPIE, 2248, 210-221, 1994
19. Post D.: Moiré interferometry, w: SEM handbook on experimental mechanics, A.S. Kobayashi, (ed), (Prentice-Hall, Englewood Cliffs), 1987
20. Walker C.A.: A historical review of moire interferometry, Exp. Mechanics, 34, 45-47, 1991
21. Patorski K.: The handbook of the moiré fringe technique, (EIsevier, Amsterdam), 1993
22. Post D., Han B., Ifju P.: High sensitivity moiré, Springer- Verlag, 1994
23. Dai F.L., McKelvie J., Post D.: An interpretation of moiré interferometry from wavefront interference theory, Opt. Lasers Eng., 12, 101-108, 1990
24. McKelvie J., Patorski K.: Influence of the slopes of the specimen grating surface on out-of-plane displacements measured by moiré interferometry, Appl. Opt., 27, 4603-4605, 1988
25. Robinson D.W., Reid G.T. (eds): Interferogram analysis: digital fringe patteern 26. measurement techniques, Institute of Physics Publ., Bristol and Philadelphia, 1993
26. Schwider J.: Automated evaluation techniques in interferometer, in Wolf E. (ed), Progress in Optics, XXVIII, Amsterdam, Elsevier Science Publ., 1990
27. Kujawińska M., Sałbut L: Interferometria laserowa, Wykłady Szkoły "Metrologia Wspomagana Komputerowo", t. I, 11-58, 1999
28. Creath K., Schmit J.: N-point spatial phase measurement technique for nondestructive testing, Opt. Lasers Eng., 24, 365-379, 1996
29. Pirga M., Kujawińska M.: Two-directional spatial-carrier phase shifting method for analysis of crossed and closed fringe pattren, Opt. Eng., 34, 2459-2466, 1995
30. McKelvie J., Walker C.A., MacKenzie P.M.: A workday moiré interferometer: conceptual and design considerations, Proc. SPIE, 814, 464-467, 1987
31. Deason V.A., Ward M.B.: A compact portable diffraction moiré interferometer, Proc. SPIE, 1162, 26-35, 1989
32. Huntley J.M., Palmer S.J., Howell T., Goldrein T., Gunnar L.: Microstructural strain analysis by high magnification moiré interferometry, Proc. SPIE, 2545, 86-95, 2005
33. http://www.expolidmech.com
34. Sprawozdanie z prac wykonywanych w ramach CPBR 12.3 "Interferometr laboratoryjno-przemysłowy do badań przemieszczeń i odkształceń elementów konstrukcji oraz badań materiałowych", IKPPiO PW, 1989
35. Rafałowski M.: The optimalization of three-mirror iluminating system for the four-beam moiré interferometer, Opt. Lasers Eng., 20, 229-239, 1994
36. Sałbut L.: Zastosowanie zjawiska polaryzacji w interferometrze siatkowym z komputerowym przetwarzaniem obrazów prążkowych, Rozprawa doktorska, Wydział Mechatroniki PW,1995
37. Patorski K., Post D., Czarnek R., Guo Y.: Real-time optical differentiation for moiré interferometry, Appl. Opt., 26, 1977-1982, 1987
38. Sałbut L.: Multichannel system for automatic analysis of u, v and w displacements in grating interferometry, in Physical Research, 19, W. Jűptner and W. Osten (eds), Akademie Verlag GmbH, 1993
39. Sałbut L., Patorski K.: Polarization phase shifting method for moiré interferometry and flatness testing, Appl. Opt., 29, 1471-1473, 1990
40. Sałbut L., Patorski K., Kujawińska M.: Polarization approach to high-sensitivity moiré interferometry, Opt. Eng., 31, 1992
41. Kujawińska M., Sałbut L., Patorski K.: Three-channel phase stepped system for moiré interferometry, Appl. Opt., 30,1633-1635, 1991
42. Patorski K., Sałbut L.: Generation of the derivative of out-of-plane displacements in the high-sensitivity grating interferometry configuration, Opt. Lasers Eng., 26, 59-70, 1997
43. Czarnek R.: High sensitivity moiré interferometry with compact achromatic interferometer, Opt. Lasers Eng., 13, 93-101, 1990
44. Patorski K.: Interferencyjna metoda mory do badań przemieszczeń i odkształceń, AND, 4, 6-11, 1988
45. Ifju P., Post D.: Zero thickness specimen gratings for moiré interferometry, Exp. Techniques, 15,45-47, 1991
46. Sprawozdanie z grantu KBN ,"Zautomatyzowany system interferometru siatkowego do badań i kontroli miniaturowych elementów mechatroniki i elektroniki", ImiF PW, 1997
47. Kearney A., Forno C.: High temperature resistant gratings for moiré interferometry, Exp. Techn., 17, 9-12, 1993
48. Dally J.W., Read D.T.: Electron-beam moiré, Exp. Mechanics, 33, 270-277, 1993
49. Sałbut L.: Zautomatyzowany system interferometru siatkowego do badań odkształceń w materiałach i elementach mechatroniki i elektroniki. Materiały IV Konferencji Naukowej "Czujniki Optoelektroniczne i Elektroniczne COE '96", t. II, 194-197, 1996
50. Przewodnik: Wyrażanie niepewności pomiaru, GUM, 1999
51. Kujawińska M., Sałbut L.: Automated moiré interferometry for residual stress determination in engineering objects, w: Handbook of moiré measurement, C.A. Walker (ed), IOP, Bristol and Philadelphia, 271-285, 2004
52. Jancelewicz B., Pasierski J., Sałbut L.: Badania ograniczeń odkształcalności poprzecznej kompozytów wielowarstwowych poprzez warstwy zbrojone jednokierunkowo, XVII Sympozjum Mechaniki Eksperymentalnej Ciała Stałego, Jachranka, 230-236, 1996
53. Sałbut L., Kujawińska M.: Novel material studies by automatic grating interferometry, Proc. SPIE, 2861, 212-219, 1996
54. Sałbut L., Dymny G., Kujawińska M.: Policrystaline materials studies by automatic grating interferometry, Proc. SPIE, 2782, 513-521, 1996
55. Sałbut L., Kujawińska M.: Moiré interferometry/thermovision metod for electronic packaging testing, SPIE 3098, 10-17, 1997
56. Sałbut L., Holstein D.: Laser weldment properties analysis by hybrid experimental numerical method, Proc. SPIE, 3745, 257-263, 1999
57. Holstein D., Sałbut L., Kujawińska M., Jüptner W.: Hybrid experimental-numerical concept of residual stress analysis in laser weldments, Exp. Mech., 41, 343-348, 2001
58. Sałbut L., Kujawińska M., Bułhak J., Golański J., Krajewski A.: Ceramic-to-metal joints testing by automated grating interferometry, Experimental Mechanics, AlIison (ed), Balkema, Rotterdam, 633-638, 1998
59. Sałbut L., Kujawińska M., Józwik M., Golański D.: Investigation of ceramic-to-metal joint properties by hybrid moiré interferometry/FEM analysis, Proc. SPIE, 3745, 298-306, 1999
60. Laermann K.H.: Recent developments and further aspects of experimental stress analysis in the Federal Republic of Germany and Western Europe, Exp. Mech., 21, 49-58, 1981
61. Rowlands R. E.: Residual stress, w: SEM handbook on experimental mechanics, A.S. Kobayashi, (ed), Prentice-Hall, Englewood Cliffs, 1987
62. Dally J.W., Riley W.F.: Strain gages, w: SEM handbook on experimental mechanics, A.S. Kobayashi, (ed), Prentice-Hall, Englewood Cliffs, 1987
63. Aleksen O.M.: Advances in brazing of ceramics, Journal of Mat. Sci., 27, 1989-2000, 1992
64. Sprawozdanie z grantu KBN "Optyczno-numeryczna metoda badania właściwości mechanicznych wielofazowych połączeń ceramiczno-metalowych", ITM i ImiF PW, 1999
65. Sałbut L.: Zautomatyzowany system interferometru siatkowego do badań i kontroli miniaturowych elementów mechaniki i elektroniki, Mat. Konf. Metrologia Wspomagana Komputerowo, Zegrze, t. 3, 183-187, 1997
66. Kujawińska M., Sałbut L.: Standard guide on grating (moiré) interferometry for in-plane displacement/strain analysis, www.optical_strain.com.cu
67. Sałbut L., Kujawińska M., Patterson E., Hack E., Burguete R., Whelan M., Mendels D.A.: Development of standard measurement chain for full-field optical strain measurement methods, Proc. SPIE, 5532, 268-277, 2004
68. Mendels D.A., Hack E., Siegman P., Patterson E., Sałbut L., Kujawińska M., Schubach H.R., Dugand M.M., Kehoe L., Stochmil C., Brailly P., Whelan M.: Round robin exercise for optical strain measurement, ICEM12 - 12th International Conference on Experimental Mechanics, Bari, 2004
69. Sałbut L.: Ekstensometry optyczne. Budowa i kierunki rozwoju, Mat. XX Sympozjum Mechaniki Eksperymentalnej Ciała Stałego, Jachranka, 26-37, 2002
70. Sałbut L.: Nowa generacja ekstensometrów optycznych, Prace Naukowe Wydziału Mechatroniki Politechniki Warszawskiej, 70, 60-74, 2002
71. Sałbut L.: Mikrointerferometry: Budowa i zastosowania w mechanice eksperymentalnej, XXI Sympozjum Mechaniki Eksperymentalnej Ciała Stałego, Jachranka, 2004
72. Kujawińska M., Sałbut L.: Optyczny pomiar odkształceń, w: Informatyczny system zarządzania środowiskiem pomiarowo-obliczeniowym, ITB, Warszawa 2004
73. www.optical_strain.org
74. Boroński D., Sałbut L.: Wykorzystanie interferometrii siatkowej do badania odkształceń w wielocyklowym zmęczeniu elementów z karbem, XVII Sympozjum Mechaniki Eksperymentalnej Ciała Stałego, Jachranka, 105-111, 1996
75. Sprawozdanie z Projektu Celowego KBN nr 2283/C T07-7/98 "Zautomatyzowany system laserowego ekstensometru siatkowego do diagnostyki maszyn i urządzeń", ITE, 2001
76. Sałbut L.: Novel laser full-field extensometer integrated with loading machine, Proc. SPIE, 4076, 210-216. 2000
77. Kujawińska M., Sałbut L., Jóźwik M., Boroński D.: Ekstensometr laserowy zintegrowany z maszyną wytrzymałościową, XIX Sympozjum Mechaniki Eksperymentalnej Ciała Stałego, Jachranka, 361-366, 2000
78. Kujawińska M., Sałbut L.: New generation of optical extensometers based on grid techniques and active phase analysis, Proc. The 4th International Workshop on Automatic Processing of Fringe Patterns, "Fringe'2001", EIsevier, 86-93, 2001
79. Sałbut L.: Automated laser extensometer for full-field and local in-plane displacements and strains measurement, Proc. SPIE, 4900, 1254-1261,2002
80. Boroński D.: Badania doświadczalne odkształceń lokalnych w spawanych laserowo stalowych strukturach panelowych metodą interferometrii siatkowej, Przegląd Spawalnictwa 2-3, 17-21, 2004
81. Sałbut L.: Waveguide grating (moiré) microinterferometer for in-plane displacement/strain field investigation, Optical Engineering, 41(3),626-631,2002
82. Sałbut L., Józwik M.: Novel aspects of interferometric testing of siJicon microelements properties, Proc. SPlE, 4075, 109-116, 2000
83. Sałbut L., Kujawińska M., Bering A.: Falowodowy mikrointerferometr siatkowy do badania elementów mechatroniki, XIX Sympozjum Mechaniki Eksperymentalnej Ciała Stałego, Jachranka, 462-467, 2000
84. Sałbut L., Jóźwik M., Górecki C., Lee S.: Waveguide interferometry system for microelements investigation, Proc. SPIE, 4400, 2001
85. Kujawińska M., Sałbut L.: Waveguide automated moiré interferometer for in-plane displacement/strain fields investigation in micromechanics, w: Material mechanics; fracture mechanics; micro materials, T. Winkler, A. Schubert (eds), Fraunhoferr IZM Berlin, 252-258, 1999
86. Sałbut L.: Interferometryczne stanowisko do badań materiałowych i mechanicznych elementów MEMS, Elektronizacja, 7/8, 18-21,2002
87. Sałbut L.: Grating interferometry for in-plane displacement and strain measurement of microcomponents, w: Optical inspection of microsystems, W. Osten (ed), (w druku)
88. Patorski K., Kujawińska M., Sałbut L.: Interferometria laserowa z automatyczną analizą obrazu, OWPW, 2005
89. Sałbut L., Kujawińska M.: The optical measurement station for complex testing of microelements, Opt. Lasers Eng., 36, 225-240, 2001
90. Sałbut L., Kujawińska M., Krężel J.: Laser waveguide microinterferometer integrated with MEMS platforms, Proc. SPIE, 5958, 152-158,2005
91. www.smarttech.com.pl
92. www.micro-optics.org
93. Descour M.R.: Three dimensional micro-optical systems, www.optics.arizona.edu/Descour/lensl.htm2000

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-article-PWA7-0019-0018