Измерения износа голографической интерферометрией

При измерениях износа голографической интеферометрией поверхности рассматриваются в одномерном пространстве и описываются функцией [112]:

где S- изначальная поверхность образца, S₂- поверхность после износа.

При этом выделяют две вида износа: в первом случае, образец проходит полную повторную обработку поверхности, во втором, неполную. При полной повторной обработке расстояние dмежду центральными осевыми линиями значительно выше R_zнаибольшей высоты профиля образца (рисунок 1.25 а)). Тогда общий износ представляет собой объем между поверхностями SJ и S₂.

Неполная обработка поверхности происходит, когда процесс износа удаляет те части поверхности Si, которые находятся выше определенной осевой линии (рисунок 1.25 б)). При этом некоторые части поверхности могут оставаться неизменными. В этом случае общий износ характеризуется областью, в которой он происходил.

Эти два вида износа требуют применения различных измерительных методов: 1) голографических контуров; 2) голографической согласованной фильтрации и/или вычитания голографических изображений.

Рисунок 1.25 - износ: а) с полной обработкой поверхности; б) с неполной

Все голографические методы регистрируют перемещения, поэтому измерения включают не только износ, но также ползучесть и пластическую деформацию исследуемых поверхностей. Один из способов отделения износа от других источников топографических изменений заключается в проведении «пустого» эксперимента, в котором образец подвергается нагрузке без движения, таким образом, что ползучесть и пластическая деформация влияют на образец, но при этом объект не изнашивается.

Такой подход может применяться для экспериментов на испытательных машинах.

Голографические контуры. Самым дешевым методом создания контурных карт с использованием голографии является метод двойного индекса. Метод двойного индекса заключается в погружении образца в прозрачные жидкости с показателями преломления n₁и n₂.Две голографические экспозиции объекта

создаются с помощью окна в резервуаре для каждого погруженного образца в жидкость. После реконструкции луча объекта на его поверхности возникают интерференционные полосы, которые обозначают постоянную высоту от окна (эталонной плоскости) [113]. Разность высот между соседними полосами Δh называется глубиной контура и определяется выражением:

Глубина контура варьируется в зависимости от λ , n₁и n₂с нижним пределом, зависящим от шероховатости поверхности объекта. Как правило, глубина контура может варьироваться от 10 мкм до нескольких метров. Метод двойного индекса может использоваться для оценки износа с помощью контуров образца с интервалами во времени испытания, в котором изменение объема зависит от расстояния скольжения. Для оценки объема износа сложных форм применяются вычислительные машины.

Функциональная схема метода двойного индекса приведена на рисунке 1.26, полная экспериментальная установка на рисунке 1.27. Стоит отметить, что метод может варьироваться изменением одного индекса, показателем преломления, но для двух длин волн света.

Рисунок 1.26 - Функциональная схема метода двойного индекса голографии

Рисунок 1.27 - Экспериментальная установка, использующая метод голографии

Контурная голография может также применяться для измерения шероховатости поверхности, а также геометрической формы во время испытаний на износ. Изменения в шероховатости отражаются в изменении видимости контурных полос и и определяются соотношением:

где г - среднеквадратическая шероховатость поверхности,

Видимость шероховатости поверхности измеряется путем сканирования реального изображения объекта.

Голографическая согласованная фильтрация. На рисунке 1.28 показано устройство, реализующее голографию с согласованной фильтрацией. Голограмма объекта перемещается кинематически. Если волна с объекта попадает только на голограмму, то опорная волна может быть восстановлена. Так как объект представляет собой диффузный отражатель, то репозицирование должно 56

осуществляться в пределах 2/10. Интенсивность восставленного луча Ir пропорциональна интенсивности освещающего луча и корреляции между излучающим и восстановленным лучами [112].

Рисунок 1.28 - Устройство, реализующее голографический метод согласованной фильтрацией

Другой подход заключается в освещении объекта с помощью коленированного луча и фотографировании изображений пятен (рисунок 1.29). Пластина возвращается в исходное положение кинематически. Маска M помещается под освещающим лучом таким образом, что небольшая площадь поверхности объекта, называемая эталонной площадью, повторно освящается.

Рисунок 1.29 - Установка для фильтрации фантомных изображений

Недостатком согласованной фильтрации является то, что фактическая площадь деформации не может быть расположена на поверхности объекта. Однако этот недостаток компенсируется вычитанием голографического изображения.

Выделение голографического изображения. Правильно расположенная голограмма в реальном времени будет действовать как устройство вычитания изображения, но на практике это невозможно из-за усадки эмульсии. Используемый метод может быть как прямым, так и косвенным.

В прямом методе, если при идентичных экспозициях голограммы с двойной экспозицией относительная фаза между объектным и опорным лучами изменятся на π/2, то последующая реконструкция будет соответствовать вычитанию двух идентичных изображений. Если сделаны две голограммы с двойной экспозицией, одна из которых служит эталоном для измерения интенсивности, а вторая с π/2 фазовым сдвигом между двумя лучами, падающими с объекта, и если между экспозициями объект подвергся микродеформации, то площадь пластической деформации может оцениваться путем измерения интенсивности изображения двух реконструкций [104].

Соотношение таких интенсивностей задается выражением:

58

где I - интенсивность на единицу области поверхности для нулевой разности фаз между изображениями- реконструированная интенсивность изображения, измеренная по площади фотоприемника, когда разность фаз между изображениями равна нулю илиравна площади пластической деформации,

эквивалентно площади фотоприемника.

Проблема достижения π/2 фазового сдвига по всей поверхности решается путем вычитания как косвенного изображения, так и прямого.

Рассматриваемые методы позволяют определять макро- и микроскопические деформации. Из всех методов метод двойного индекса получил наибольшее распространение и был использован для проведения экспериментов на ортопедических компонентах имплантата (рисунок 1.30).

Рисунок 1.30 - Голограммы берцового компонента а) до ; б) после износа

На рисунке 1.30 приведены контурные карты компонентов большеберцовой кости в а) в свободном и б) нагруженном состоянии. Контурная глубина анализа составляет около 200 мкм. Сравнение двух изображений позволяет оценить величину износа. Большая часть износа произошла на передней половине плато на глубине около 600 мкм медиальной стороны и около 30 мкм в поперечном направлении.

Подводя итоги, необходимо отметить, что рассмотренные методы голографии наиболее полезны для комбинированного измерения износа и

деформации компонентов, протестированных на специальных испытательных стендах, где предметом исследования являлись эндопротезы, удаленные из организма человека. При необходимости данные методы можно использовать и в лабораторных испытаниях на износ.

1.3.1