Budapesti Műszaki. Gazdaságtudományi Egyetem. Borbás Lajos

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

DOKTORI ÉRTEKEZÉS

Borbás Lajos 2001

Rétegbevonatos optikai feszültségvizsgálat fejlesztése száloptika alkalmazásával

Készítette:

Borbás Lajos okleveles közlekedésmérnök

Doktori értekezés Ph.D. fokozat megszerzésére

BME Közlekedésmérnöki Kar Járműelemek és Hajtások Tanszék

Budapest, 2001

TARTALOMJEGYZÉK A dolgozatban alkalmazott jelölések jegyzéke*1 ................................................................... 1 1. Bevezetés:.......................................................................................................................... 3 1.1. A kísérleti eljárások és a numerikus számítások konfliktusa ..................................... 3 2. A kutatás célkitűzése ......................................................................................................... 5 2.1. A rétegbevonatos optikai feszültségvizsgálat eljárásának bemutatása....................... 6 2.1.1. A mérési elv ismertetése...................................................................................... 6 2.1.2. Az optikai feszültségvizsgálat mérési eljárásának nemzetközi megjelenése, néhány hazai vonatkozásának bemutatása. .......................................................... 9 2.1.3. A rétegbevonatos optikai feszültségvizsgálat mérési eljárásának néhány tanszéki vonatkozása.......................................................................................... 10 3. Fény és kép továbbításának lehetősége száloptika alkalmazásával................................. 11 3.1. Energia irányított továbbítása száloptikával............................................................. 11 3.2. Fény és képtovábbítás alapösszefüggései üvegszálakkal ......................................... 11 3.2.1. A be - és kilépési félszögek határértékeinek kérdése......................................... 12 3.2.2. A fényáteresztés mértékének valamint az üvegszál hosszának kapcsolata ....... 12 3.2.3. Optikai szál által továbbított fény hullámhosszának hatása a továbbított fény intenzitására ....................................................................................................... 14 3.2.4. A képfeloldás kérdése........................................................................................ 15 3.2.5. A száloptika kötegek megválasztásának szempontjai ....................................... 17 3.2.6. A fény vezetésére és a kép továbbítására ténylegesen kiválasztott száloptikák geometriai adottságai ......................................................................................... 19 4. Reflexiós polariszkóp tervezése célkitűzés szerinti feladatra.......................................... 20 4.1. A feladat behatárolása .............................................................................................. 20 4.2. A reflexiós optikai feszültségmérés berendezéseinek rövid áttekintése, néhány történelmi vonatkozása ........................................................................................ 20 4.3. Az ismertebb, létező reflexiós polarizációs optikai berendezések bemutatása ........ 21 4.4. A mini polariszkóppal szemben támasztott alapkövetelmények meghatározása a mérendő mennyiségek vonatkozásában............................................................... 26 4.5. Száloptikához illesztett, videó rögzítővel felszerelt mini polariszkóp kialakítása ... 27 4.5.1. "Mini" polariszkóp - mérőfej geometriai méreteinek meghatározása ............... 27 4.5.2. Videó rendszerhez illesztett, száloptikás mini polariszkóp mérőrendszerének alap-összeállítása................................................................................................ 31 5. Száloptikás mini polariszkóp hibaanalízise ..................................................................... 35 5.1. Lencserendszer elemeink torzító hatása ................................................................... 36 5.1.1. A torzító hatások összetevői és mérési lehetőségei........................................... 36 5.1.2. Torzulás-vizsgálatok sík vizsgáló felszínen ...................................................... 40 5.1.3. Torzulás-vizsgálatok értékelése sík vizsgáló felszínen ..................................... 52 5.1.4. Torzulás-vizsgálatok görbült vizsgáló felszín esetén ........................................ 53 5.1.5. Torzulás-vizsgálatok értékelése görbült vizsgáló felszínen .............................. 62 5.1.6. Torzulási vizsgálat rétegbevonattal ellátott görbült felszín esetén.................... 62

6. Vizsgálóréteg merevítő hatásából adódó kiértékelési hiba részletes elemzése, valamint a ferde átvilágítás tényének figyelembevétele........................................................................ 65 6.1. A vizsgáló bevonat merevítő hatásának elméleti vizsgálata .................................... 66 6.2. A vizsgálóréteggel mért főnyúlások különbségének meghatározása ....................... 72 6.3. Mini polariszkóp sugármenetének hatása a kiértékelési hibára a ténylegesen vizsgált szerkezet jellegzetes pontjaiban ............................................................. 76 6.3.1. " A " pont környezetének elemzése (a görbült felület középpontja, gyakorlatilag merőleges sugármenet) ...................................................................................... 78 6.3.2 " B " pont környezetének elemzése (a görbült felület és az egyenes szakasz találkozási pontja) .............................................................................................. 79 6.3.3 " C " pont környezetének elemzése (a vizsgálóréteggel ellátott felület utolsó pontja) ................................................................................................................ 80 7. Rétegbevonatos optikai feszültségvizsgálati technika alkalmazási területének kiterjesztése szálvázas műanyag szerkezetekre................................................................... 83 7.1. A mérési hiba fajlagos értékének meghatározása görbült felszínek vizsgálatánál... 84 7.2. Fajlagos kiértékelési hiba minimalizálásának elve alapján megválasztható vizsgálóréteg egyes tulajdonságai........................................................................ 85 8. A dolgozatban megfogalmazott tézisek........................................................................... 89 9. Az optikai feszültségvizsgálat rétegbevonatos mérési eljárásának várható továbbfejlesztési irányai ...................................................................................................... 91 Irodalomjegyzék .................................................................................................................. 92 Köszönetnyilvánítás ............................................................................................................ 96 Mellékletek .......................................................................................................................... 97 I. sz. Melléklet .....................................................................................................................I/1 I/1. " A " pont környezetének számítása..........................................................................I/2 I/2. " B " pont környezetének számítása..........................................................................I/3 I/3." C " pont környezetének számítása...........................................................................I/5 II. sz. Melléklet...................................................................................................................II/1 II/1. "T" próbatestek kialakítása és fő méretei és terhelési körülményei .......................II/2 II/2. "T" próbatestek terhelés hatására mért rendszám eloszlásai...................................II/7 II/3. A vizsgálatoknál alkalmazott műszerek és eszközök azonosítói..........................II/11

A dolgozatban alkalmazott jelölések jegyzéke*1 Sorszám

Megnevezés

Jelöl és

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

színsáv-rendszám értéke elemi szál átmérője elemi szálak középpontjának távolsága fénysugár belépési szöge fénysugár kilépési szöge a totálreflexió teljesülésének határszöge numerikus appertura a környezetre vonatkozó törésmutató index az elemi szál magjának törésmutató indexe az elemi szálat körülvevő burkolat törésmutató indexe a kötegen áthaladó fényáram a kötegbe belépő fényáram mértéke fényáteresztés mértéke belső áteresztési tényező térkitöltési tényező felületi reflexiós tényező totálreflexiós tényező abszorpciós tényező reflexiós veszteség a totálreflexiók száma az L hosszúságú szálban elemi szál hossza szennyezési veszteségtényező spektrális fényáteresztés mértéke a fényforrás spektrális energiasűrűsége észlelt (felismerhető) tárgy átmérője (alsó index: ∆, □ a szálelrendezés struktúrájára utal) polarizációs szűrő (polarizátor vagy analizátor) negyed-hullám polarizációs szűrő görbült próbatest nyílásköze görbült próbatest szerkezeti magassága paplan erősítésű kompozit lemez vastagsága vizsgálóréteg vastagsága paplan erősítésű lemezen külső terhelő erő görbült próbatest sarok rádiusza rétegbevonat vastagsága vizsgált szerkezet (szálerősítésű lemez, későbbiekben lemez) vastagsága vizsgált szál peremtől mért távolsága semleges szál peremtől mért távolsága vizsgálórétegben ébredő feszültség

m de De

26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38

Θ1 Θ2 Θ0

Mértékegység

mm mm º º º

N.A. n3 n1 n2 Φτ Φ τ

τi η PFr Ptot τabs ρ mt L τi τλ

m

Θeλ δ

mm

psz λ/4 a b V1 V2 F R t h

mm mm mm mm N mm mm mm

y y0

σR

mm mm MPa 1

39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74

lemezben ébredő feszültség keresztmetszetet terhelő normál erő keresztmetszetet terhelő nyomaték vizsgálóréteg feszültségoptikai állandója vizsgálóréteg-feszültség szélső szál függvénye lemez-feszültség szélső szál függvénye görbe rúd rádiuszos szakaszán mért pozíció görbe rúd egyenes szakaszának a berendezés optikai tengelyével bezárt szöghelyzete görbe rúd egyenes szakaszának hossza görbe rúd egyenes szakaszán mért pozíció normálerő síkjától a rétegig mért merőleges távolság mini polariszkóp szűrő - szimmetria tengelyeinek távolsága mini polariszkóp fénymenet tengelyének a szerkezet optikai tengelyével bezárt szöghelyzete (további indexelés az adott vizsgált pontra vonatkozik) mini polariszkóp képtovábbító kötege tengelyének a szerkezet optikai tengelyével bezárt szöghelyzete (további indexelés az adott vizsgált pontra vonatkozik) színsáv-rendszám értéke, ferde átvilágításkor színsáv-rendszám értéke, merőleges átvilágításkor fénysugár eltolódásának mértéke merőlegestől eltérő beeső és visszaverődő fénymenet miatt (indexelés a beeső és visszavert fénymenetre, és a vizsgált pontra) a vizsgáló réteg adott pontjának nyúlás-összetevői a vizsgáló réteg adott pontjának főnyúlásai vizsgált laminát (lemez) rugalmassági modulusa vizsgáló réteg rugalmassági modulusa céltábla mintarács sugár növekménye sakktábla mintarács rácsállandója sakktábla mintarács rácspont mérete T tartó merevítő borda hossza T tartó merevítő borda magassága T tartó merevítő borda vastagsága T tartó teljes hossza T tartó merevítő alátámasztásainak távolsága zártszelvény keresztmetszet külső mérete zártszelvény keresztmetszet külső mérete zártszelvény falvastagsága T tartó merevítő teljes magassága T tartó merevítő erőbevezetés magassága T tartót terhelő nyomóerő T tartót terhelő hajlító erő

σL

MPa N Nmm

N Mh S a b α ψ

N/mm3 N/mm3 û û

lx x nm l0

mm mm mm mm

φ1

º

φ2

º

mf m⊥ λ εx,εy ε1,ε2 EL, E1 ER, E2 ∆r dsr dsp sl sh sv Lt La za zb zv Mt Me Fny Fha

µStrain µStrain MPa MPa mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm N N

*1

A jelölésjegyzék összeállításánál törekedtem a dolgozatban a megjelenés sorrendjében összefoglalni az alkalmazott megnevezéseket mindaddig, míg esetleges kereszt - hivatkozások és alkalmazások ezt a sorrendiséget fel nem borították.

2

Rétegbevonatos optikai feszültségvizsgálat fejlesztése száloptika alkalmazásával

1. Bevezetés: A feszültségmérő eljárások között az egyik legszemléletesebb az optikai feszültségvizsgálat. A polarizált fényben vizsgált, megfelelő optikai aktivitású átlátszó modell (vagy a tényleges alkatrészre felragasztott, hasonló méréstechnikai tulajdonságokkal rendelkező vizsgálóréteg) terhelés hatására láthatóvá teszi a nyúlás (feszültség) állapotot [1]. A vizsgált szerkezet feszültségmezejét megjelenítő eljárás révén annak szilárdsági viselkedése – kellő biztonsággal – megítélhető. Feltárhatók a kritikus igénybevételi helyek, behatárolhatók azok a területi zónák, amelyek a szerkezet teherviselésében nem, vagy csak kis mértékben vesznek részt. Elemezhetők az erő-bevezetési környezetek, az egyes feszültség koncentrációs zónák kiterjedése, a feszültségcsúcsok gradiensei. A mérési eljárás által szolgáltatott feszültségképek a számítási eredményekkel könnyen összevethetők. A szerkezeten végrehajtott módosítások feszültségeloszlásra gyakorolt hatásai nyomon követhetők. Feszültségoptikai felvételek elemzése hozzásegít olyan szemlélet kialakulásához, amelynek a szerkezetek alakadása fázisában történő tudatos alkalmazása eredményeként megbízható, súlytakarékos szerkezetek hozhatók létre. Az optikai feszültségvizsgálat mérési eljárása hasznos kiegészítő eszköze a számító módszereknek, lehetőséget biztosít azok eredményeinek kontrolálására, szükség esetén biztosítja a számításokhoz nélkülözhetetlen bemenő adatokat.

1.1. A kísérleti eljárások és a numerikus számítások konfliktusa A szilárdsági számítási eljárások a számítástechnika rohamos fejlődésével az 1980-as évektől forradalmi változáson mentek át. A kísérleti szilárdságtan, különösen annak síkfeszültségi problémákat vizsgáló eljárásai, mindezek miatt az 1980-as évek közepétől fokozatosan háttérbe szorult. A különböző számítási módszerek egyre szélesebb alkalmazása következtében azok lehetőségei és határai mind finomabban kirajzolódtak. A számítástechnika ezen fejlődése ugyanakkor felhívta a figyelmet - a számítási munka jellegéből adódóan felszínre hozott - problémakörök kezelésének szükségességére (szerkezetekre ható külső terhek kérdései, számítások peremfeltételeinek meghatározása, éles bemetszések, keresztmetszet átmenetek, kis lekerekítési rádiuszok környezetei, bonyolult, - alakos felszínű alkatrészek nyúlás - és feszültségviszonyainak elemzése), így a számítási és mérési eljárások helyének újrafogalmazására jelentkezik igény a felhasználók részéről. Az 1980-as évek közepére kialakult helyzet vizsgálatakor, nevezetesen a kísérleti és számítási eljárásoknak a szerkezetek feszültséganalízisében játszott szerepének 3

megítélésénél számos tényező hatását mérlegelhetjük. Ezek közül néhány az alábbiakban foglalható össze: - a számítógépek processzorainak sebessége töretlenül növekszik. A szimuláció területén eddig sosem képzelt területekre jutottunk, úgymint virtuális prototípus gyártás, virtuális gyártás, virtuális szerszámozás, - a 90-es évek elején úgy tűnt, a számítási és számítógépes modellezési módszerek fejlődése a szerkezetek feszültséganalízise területén szükségtelenné teszi a különböző mérési eljárások alkalmazását, - a számítógépes szoftverek területén ugrásszerű fejlődés figyelhető meg. A lineárisan elasztikus feladatok területeiről kilépve eljutottunk a plasztikus megnyúlások, nemlineáris geometriai kérdések kezeléséig, a különböző véges elemes módszerek fejlődésének köszönhetően. A fentiekben röviden érintettek – és az ebből fakadó várakozások - ellenére a különböző mérési eljárások nem vesztettek annyit jelentőségükből, mint azt egyes szakértők előre jelezték. Az okokat az alábbiakban kereshetjük: - a feszültségeloszlások számítási úton történő meghatározásához a vizsgált alkatrészek végeselemesítésére volt szükség. Ez a feladat sokszor eltereli a műveletet végző (operátor) figyelmét a szerkezet mechanikai kérdéseiről, - a számítógépes programokat többnyire olyan szakértők írják, akik a kérdéses feladat sem mechanikai, sem matematikai kérdéseivel nincsenek teljes egészében tisztában. A feladat megoldásának megközelítése általában a matematika oldaláról történik, aminek következtében az alkalmazott elemtípus és megoldás nem mindig illeszthető a vizsgált problémára. Különösen igaz mindez a mérnöki gyakorlatban igen sűrűn előforduló érintkezési kérdések vizsgálatára, - a bonyolult, alakos felszínű szerkezetek magas elemszámú FEM hálózatot igényelnek. Ilyen esetekben a szükséges számítási idő az elemszám növekedésével jelentősen emelkedik. A feltételezett feszültségcsúcsok – nagy feszültség-gradiensű helyek – területén a hálózat sűrítése szükséges, ami szintén az elemszám növekedéséhez vezet. Mindez a számítások idejét, költségét jelentősen megemeli. A futási idő, költségek, pontosság területén kompromisszum meghozatala látszik szükségesnek. A számítási eljárások ezideig gyenge pontjai az összetett, görbült felszínű szerkezetek, azoknak is a helyi feszültségcsúcsokkal tarkított területei. Az itt megfogalmazott néhány gondolat megfontolásával megfogalmazható néhány szempont, amelyek alapján – figyelemmel a számítási módszerek alkalmazásának adott területre vonatkozó nehézségeire – kísérleti eljárások területei körvonalazhatók: - helyi feszültségkoncentrációs helyekkel rendelkező szerkezeti elemek nyúlás, és feszültségeloszlásainak meghatározása, különösen, ha a szerkezet terhelése ciklikus igénybevétel, - valós szerkezetek anyaghibáinak, inhomogenitással rendelkező területeinek vizsgálati kérdései (azok helyének, méretének felderítése). Ezek az esetek a számítógépek számára – a még oly fejlett programok használata esetén (bemenő adatok, peremfeltételek) – sem

4

minden esetben (ha egyáltalán...) írhatók le. Ezek az esetek – tényleges szerkezeteknél – a kísérleti eljárások alkalmazásának szükségességét hangsúlyozzák, és feltételezik, - szerkezetekre ható külső terhek, a szerkezetek merevségi kérdéseinek tisztázása a mérési eljárások egyik leggyakrabban alkalmazott területe. A megfelelő eljárás kiválasztásánál a költségek, a mérési eljárás reakció ideje meghatározó tényezők. A kiválasztott eljárást a tervezési folyamat lehetőség szerinti legkorábbi szakaszában célszerű alkalmazni, tekintettel a megvalósítás későbbi fázisaiban jelentkező tetemes többletköltségekre („olyan korán, amennyire csak lehetséges” elv alkalmazása). Utalva a számítási és mérési eljárások alkalmazástechnikai területei között jelen levő versenyre, a "számítás vagy mérés" dilemmára az alábbi válasz fogalmazható meg: -

mind a számítási, mind a mérési eljárások saját területükön megfelelően alkalmazva a tervezési folyamat nélkülözhetetlen elemei, kiegészítik egymást, hibrid eljárásként történő párhuzamos használatuk biztosítja a felhasználói igényeknek megfelelő termék megvalósítását.

A számítási eljárások a 80-as évek közepétől számítható töretlen fejlődése mellett a gépek és berendezések megbízhatóságának növelésére, (meghibásodási valószínűségük csökkentésére) súlycsökkentésére, meghibásodások okainak mind biztosabb feltárására irányuló egyre markánsabb igény a mérési eljárások fejlesztésének szükségességét is előtérbe helyezte. A terhelési folyamatok - különösen járművek esetén - egyre gyorsabb lefolyása (és ezzel együtt járóan a tranziens folyamatok jelentőségének növekedése) egyre magasabb szilárdsági követelményeknek eleget tevő szerkezeti anyagok alkalmazását tette szükségessé. A gazdaságos előállítás (és üzemeltetés) iránti mind fokozottabb igény természetszerűleg követeli az ipari körülmények között is gyorsan kiértékelhető, nem túlságosan drága mérőberendezések és vizsgálati eljárások (technikák) használatát. Ezen eljárások közé sorolható a rétegbevonatos optikai feszültségvizsgálat (felszíni nyúlás – és feszültségmérés) is, mivel: ! a tényleges alkatrészen valóságos igénybevételek hatását méri, ! elméletileg tetszőleges alakú alkatrész vizsgálatára alkalmazható, ! nem teszi szükségessé a szerkezet megbontását, ! a mérési eredmények már első látásra is átfogó képet adnak a vizsgált szerkezetről. Érzékeltetik a felszíni alakváltozási állapotot, kimutatva a vizsgált szerkezet veszélyes, adott esetben változtatásra szoruló helyeit, így a vizsgált szerkezet adott terhelési körülmények közötti nyúlásállapotának meghatározására szolgáló állapotfelmérő (diagnosztikai) eszközként alkalmazható.

2. A kutatás célkitűzése A fentiekben (1.Bevezetés) röviden bemutatottak alapján érlelődött gondolatok abba az irányba vezettek, miszerint a rétegbevonatos optikai feszültségvizsgálati mérési technika határainak, alkalmazási területeinek kiterjesztését jelentheti olyan mérőeszköz (berendezés) kifejlesztése, amely mind fény és képtovábbítását tekintve, mind méretei vonatkozásában az eddig ismert vizsgáló berendezéseken kívül esik. Növelheti a szóban forgó mérési technika (elsősorban hazai) elterjedésének valószínűségét, amennyiben a

5

módszer alkalmazása során szóba jöhető hibaforrások részletes elemzésével a kérdéses technika adott feltételek közötti elméleti pontosságának néhány kérdése tisztázásra kerül. Jelen dolgozat célja - későbbiekben bemutatott elrendezési és próbatest geometriai feltételek között - bemutatni a rétegbevonatos optikai feszültségvizsgálati (nyúlás - és feszültségmérő) eljárás módszerének, mérő rendszerének és vizsgálati anyagának (mérő rétegének) olyan kutatását és továbbfejlesztését, mely kiterjed: ! belső üregek és sarkok környezeteiben, erősen görbült, tagolt felszíneken (is), különösen pl. járműváz szerkezeteknél alkalmazott különböző típusú hegesztéskörnyezeteken alkalmazható, a rétegbevonatos optikai feszültségvizsgálat mérőrendszere számára alkalmas mérőeszköz kidolgozására, annak mérési - és hibahatárainak meghatározására, ! a mérőrendszerben alkalmazott száloptikás képtovábbítás alkalmazási (mérési) tartományainak kijelölésére, a mérőrendszer technikai lehetőségei és geometriai adottságai által meghatározott vizsgálati korlátok (kiértékelési szöghibák) bemutatására és értékelésére, ! a vizsgálat eredményeinek rögzítésére, (statikus, kvázi-statikus feltételek között) valamint a kapott feszültségoptikai képek utólagos elemzésére és további feldolgozására, ! a feszültségoptikai méréseknél használt vizsgáló réteg anyagának tudományos alapon nyugvó továbbfejlesztésére, amely kiterjeszti az alkalmazási területet a nem fémes anyagok (gumi, nagy-rugalmasságú műanyagok), szálerősítésű műanyag, fa, ragasztott rétegelt fa szerkezeti anyagok, valamint biomechanikai anyagok vizsgálatára. A célkitűzésben bemutatottak teljesülése esetén feltételezhető, hogy a bemutatott kiértékelési és hiba-meghatározási módszerekben leírtak alkalmazásával a rétegbevonatos feszültségvizsgálati mérési technika eredményei, újszerű felhasználások, pl. szálváz erősítésű műanyag kompozitok esetén, a gyakorlat számára elfogadható hibahatáron belül tarthatók.

2.1. A rétegbevonatos optikai feszültségvizsgálat eljárásának bemutatása 2.1.1. A mérési elv ismertetése A tényleges szerkezetek nyúlás és feszültségviszonyainak meghatározására használt eljárás során optikailag átlátszó és aktív, homogén, izotróp rétegbevonati anyagot ragasztunk a vizsgálni kívánt alkatrész felszínére [2]. A felragasztott vizsgálóréteg a terhelt alkatrész felszíni nyúlásait átveszi, amely jelenség polarizált fényben megvilágítva láthatóvá teszi a vizsgált alkatrész felszíni nyúlásait. A megvilágító fényforrás általában valamilyen fehér fény, azonban monokromatikus (vagy egyszínű) fényforrások is használatosak. Két polarizációs szűrő (polarizátor a megvilágító fényforrás és a tárgy, valamint analizátor a tárgy és a megfigyelő között) alkalmazásával meghatározhatók a színsáv rendszámok (m).

6

Amennyiben a vizsgáló berendezés negyedhullám lemezeket is tartalmaz, használatukkal mód nyílik az iránysávok felvételére is. A mérési eljárás egy lehetséges elvi elrendezése látható a 2.1. ábrán.

2.1. ábra Reflexiós polariszkóp egy lehetséges elvi elrendezési vázlata

A gyakorlatban leggyakrabban alkalmazott jellegzetes polarizációs optikai sugármenetet mutatja a 2.2. ábra.

2.2. ábra Reflexiós polariszkóp leggyakrabban megvalósított kivitelének elrendezési vázlata

A szokásosan alkalmazott vizsgáló berendezések alap kivitelben (a reflexiós polariszkópok) 2 db egymás mellett elhelyezett egyenként mintegy 100 [mm] átmérőjű 7

polarizációs szűrőből (szűrő-párból) állnak. (természetesen megfelelő tartószerkezetben rögzítve) [2]. Megvilágító fényforrásuk (általában) valamely kevert (fehér) fényt biztosító izzólámpa. A mérési elvet megvalósító készülékek ismertetésére a 4. fejezetben nyílik lehetőség. A vizsgált szerkezet felszínére megfelelő eljárással felformázott és felragasztott rétegbevonati anyagban terhelés hatására a főirányokban törésmutató változás következik be (az egyes fényhullám komponensek a különböző törésmutató irányokban különböző sebességgel haladnak át az optikailag aktív anyagon). A törésmutató változás hatása, az optikailag aktív anyagból eltérő sebességgel kilépő fényvektorok polarizált fényben vizsgálható interferencia képe alapján, a vizsgált szerkezet nyúlás és feszültségállapota meghatározható. A fehér (színtelen) fényforrást alkalmazó mérő berendezés esetén a vizsgálórétegben kialakuló színes interferencia sávrendszer (az interferencia kép fehér fényforrás esetén a kioltott színkomponens kiegészítő színeinek sokasága, vagyis színes sávrendszer) egyfajta tört rendszám meghatározását is lehetővé teszi. (A mérési módszer elméletére és gyakorlati alkalmazására vonatkozó alapismeretek [2], [3] - ban részletesen megtalálhatók.) A berendezésben használt polarizációs szűrők mellett további kiegészítő szűrő-pár (λ/4) alkalmazható. Valamennyi szűrő szabályozott (együttes) forgatásával kapunk képet a vizsgált felszín adott pontjaiban mért nyúlásösszetevők irányultságáról (iránysávok, melyekből a trajektória hálózat nyerhető) [2], [4]. Ezen túlmenően külön rendeltetésű lencse rendszer(ek), optikai kiegészítők (pl. prizmák) alkalmazása is lehetséges a mérőberendezésben. A szokásosan alkalmazott, körülbelül 100 mm-es szűrőátmérők következtében a mérőberendezéssel nem közelíthetjük meg tetszőlegesen a vizsgált szerkezetünket, részben a merőlegestől erősen eltérő sugármenet, részben a polarizált fénnyel lefedett terület analizátor oldali vizsgálhatóságához minimálisan szükséges merőleges tárgytávolság biztosítása miatt. Egy jellegzetes beállítást láthatunk a 2.3. ábrán. Az ábrából világosan kitűnik, hogy az – egyébként a nemzetközi méréstechnikai gyakorlatban egyik leggyakrabban alkalmazott mérőkészülék – vizsgálóeszköz a sarkok, lekerekítések, bordák és erő bevezetések környezetének korrekt vizsgálatára (pl. merőleges, vagy ahhoz közeli sugármenet) csak

2.3. ábra Szokásosan alkalmazott reflexiós polariszkóp elhelyezése a valóságosnak megfelelő terhelési körülmények között vizsgált alkatrész környezetében

8

korlátozott mértékben alkalmas. A mérési eljárás eredményeként kapott vizsgálati képeket különböző bonyolultsági szintek szerint értékelhetjük. A legegyszerűbb esetben szemrevételezés alapján felrajzoljuk a színsáv rendszám, valamint iránysáv eloszlásokat. Célszerű a 2.3. ábrán is jól látható segéd hálózat alkalmazása annak érdekében, hogy a színsáv és iránysáv képek mérethelyesek legyenek. Az alkalmazott segédhálózat megfelelő azonosítással (sor – oszlop megjelölés) felhasználható a teljes kiértékelést lehetővé tevő valamilyen numerikus integrálási eljárás (pl. [1], [3]) hálózataként is. A terhelt alkatrész feszültségoptikai ábráit rögzíthetjük analóg vagy digitális technika alkalmazásával fényképezéssel, vagy videóberendezéssel, amikor is a terhelés változásának hatásait a visszajátszott felvételeken igen szemléletesen nyomon követhetjük. 2.1.2. Az optikai feszültségvizsgálat mérési eljárásának nemzetközi megjelenése, néhány hazai vonatkozásának bemutatása. Ebben a fejezetben – a teljesség igénye nélkül – az első nemzetközi, és hazai alkalmazások fellelhető dokumentumai közül kívánok néhányat bemutatni. A mérési eljárás egyik első bemutatkozása Mesnager [5] nevéhez köthető, 1930-ból. Hazánk kutatói ezen a szakterületen sem maradtak el a nemzetközi élvonaltól. 1934-ben Vásárhelyi Dezső [6] (több munkájával), majd Szmodits Kázmér [7] nevéhez köthetően szerezhet tudomást a hazai szakmai közvélemény egy új, ígéretes mérési eljárás megszületéséről. Szmodits Kázmér hivatkozott dolgozatában nemzetközi szinten elsőként mutatja be a ferde megvilágítás alkalmazhatóságának elméleti alapjait. A mérési módszer rétegbevonatos eljárásának úttörői között nem szabad megfeledkeznünk Oppel G. nevéről [8] (1937). A eljárás hazai alkalmazása igen gazdag történelmi múlttal rendelkezik. A szakterület kiemelkedő hazai egyéniségei között találjuk – a fent már bemutatott személyeken túlmenően –Apáti Attila, Bánki Imre, Csizmadia Lajos, Fekete Tibor, Huszár István, Kapolyi László, Porubszky Jenő, Szabó Lajos, Szittner Antal, Thamm Frigyes, Zsáry Árpád, kiváló mérnök, egyetemi oktató és tudós kollégákat, akik odaadó munkásságukkal járultak hozzá a kísérleti szilárdságtan ezen módszerének hazai bevezetéséhez és nemzetközi elismertségéhez. A magyarországi szakemberek eredményeik bemutatására, információik egymás közti és nemzetközi színtű cseréjére a Gépipari Tudományos Egyesületen belül találtak fórumot, mikor is 1964-ben az akkori Anyagvizsgáló Szakosztály keretében megalakul az Optikai Feszültségvizsgáló Munkabizottság. A hazai szakemberek ezen a területen végzett munkájának bemutatását közreadó átfogó munka (hazai és nemzetközi publikációk és előadások, tudományos diákköri dolgozatok, egyetemi doktori, kandidátusi, akadémiai doktori értekezések, kutatóhelyek, – vállalatok, – felsőoktatási intézmények, ahol az eljárás technikai feltételei rendelkezésre állnak, a hazánkban fellelhető mérőkészülékek és azok főbb paramétereinek bemutatása) 1975-ben jelet meg a Gépipari Tudományos Egyesület kiadásában [9], az ATE (Agrártudományi Egyetem, Gödöllő) szakmai gondozásában és támogatásával. Hasonló súlyú és jelentőségű, összefoglaló tanulmány ezen a szakterületen hazánkban azóta nem látott napvilágot.

9

2.1.3. A rétegbevonatos optikai feszültségvizsgálat mérési eljárásának néhány tanszéki vonatkozása Az optikai feszültségvizsgálat mérési eljárásának ipari gyakorlati, tudományos értékű alkalmazása Tanszékünkön (BME Járműelemek és Hajtások, korábbi nevén BME Közlekedésmérnöki Kar Gépelemek Tanszék) mély gyökerekkel, hagyományokkal rendelkezik. A Tanszéken Zsáry Árpád irányításával honosodott meg az optikai feszültségvizsgálat eljárása, a [9] tanúsága alapján ebben a témában 1964 óta jelentek meg a hivatkozott szerző tollából mind hazai, mind nemzetközi rendezvényeken dolgozatok. A rétegbevonatos mérési technika tanszéki meghonosítására is Zsáry tanár úr (a Tanszék akkori vezetője) javaslatára kezdődtek meg az első kísérletek az 1970-es évek közepén. Az ebben az időben fellendülőben lévő magyar ipar mind sürgetőbben igényelte olyan egyszerű, gyors reakcióidejű mérési eljárás fejlesztésben való alkalmazását, melynek segítségével elsősorban súlytakarékos, feszültségcsúcsoktól mentes szerkezetek viszonylag könnyen megvalósíthatók. Ebben az időben (1975...1980) elsősorban a vizsgálat rétegbevonati anyaga jelentette a kísérletek végrehajtásának korlátját, különös tekintettel a beszerzés valutáris nehézségeire. Tanszékünk az 1970-es évek közepétől –már aktív közreműködésemmel – intenzív kutató munkába kezdett az eljárás nyugati importból származó bevonati anyagának kiváltására. Az akkori idők vezető vegyészeti (műanyagipari) üzemének, a BUDALAKK vállalat kísérleti osztályának segítségével, Tanszékünk számos sikeres, és majdnem ugyanannyi kudarccal végződő kísérlet eredményeként, 1980-ra tehetően megbízható, többféle célra alkalmas (és többféle méréstechnikai paraméterrel rendelkező) vizsgáló réteg előállításának és alkalmazásának ismeretét mondhatta magáénak. Erőfeszítéseink sikeréhez nagymértékben hozzájárult Tanszékünk abban az időben alkalmazásban állt laboránsának, Polczer Miklósnak sok tekintetben megnyilvánuló, átlagon felüli tehetsége és odaadó munkája, melynek eredményeként megbízható, reprodukálható vizsgálórétegek sorozatát fejlesztettük ki, és alkalmaztuk a járműipar legkülönbözőbb területein, az autóbuszok vázszerkezetétől a különböző bekötőbakokon át a tengelykapcsoló szerkezetek vizsgálatáig. A fejlődés ezen a területen az 1990-es években sem torpant meg, mindössze a vizsgálati területek átrendeződésének lehettük tanúi. 1994...96, valamint 1997...2000 között két OTKA által támogatott kutatással (témavezetésemmel) volt lehetősége Tanszékünknek szálvázas erősítésű műanyag szerkezetek rétegbevonatos optikai feszültségvizsgálata tárgyában a hazai és nemzetközi tudományos közéletben eredményeivel megjelennie.

10

3. Fény és kép továbbításának lehetősége száloptika alkalmazásával Ebben a fejezetben azokat az alapfogalmakat és alap-összefüggéseket mutatom be, amelyek ismerete szükséges egy meghatározott célra alkalmas, megfelelő tulajdonságokkal rendelkező száloptika kiválasztására. A fejezet leíró jelleggel tartalmazza mindazokat a fogalmakat és összefüggéseket, amelyek szükségesek az adott feladatra megfelelő száloptikák kiválasztásához. Nem tartalmazza azonban azokat az ismereteket, amelyek a száloptikák tervezésénél szükségesek lehetnek.

3.1. Energia irányított továbbítása száloptikával A száloptika fogalma: az ultraibolya, a látható, és az infravörös spektrum tartományokba eső sugárzási energia irányított vezetése többszörös belső visszaverődés útján. A száloptikai iparág rohamos fejlődése – hasonlatosan az 1970-es években a mikroelektronika területén bekövetkezett fellendüléshez – a nagytisztaságú anyagok (kvarcüveg, egyes polimerek) előállításához és alkalmazásához köthető. Az új anyagok alkalmazásával lehetővé vált az energiatovábbítási veszteség mértékét az elméleti minimális határ környezetébe szorítani. Az optikai szálak gyártása során alkalmazott új termodiffúziós és ionimplantációs eljárások bevezetésével a fényt vezető (általában) hengeres szálon belül parabolikus lefutású (az eddigi lépcsős ugrás helyett) törésmutató profil kialakítás vált lehetővé, elérve ezáltal a 100-1000 MHz km (híradástechnikában adatátvitelnél alkalmazott mértékegység) átviteli sávszélességet. Jelen dolgozatnak nem feladata az optikai kötegeken történő információ továbbítás híradástechnikai, adatátviteli (és szabályozási), folyamatszabályozási lehetőségeinek, körülményeinek, előnyeinek (pl. igen széles sávszélesség, elektromágneses zavaroktól mentes adattovábbítás, stb.) áttekintése és összehasonlítása más információ továbbítási módokkal [10], célja kizárólag a fény, és kép továbbításának egyes kérdéseibe történő betekintés [11], pusztán felhasználói jelleggel.

3.2. Fény és képtovábbítás alapösszefüggései üvegszálakkal A száloptika egy olyan optikai elem, amely fényt képes továbbítani olyan tetszőleges pálya mentén, amelyet vékony üvegszál alkot. Az elemi szálakat lehetőségünk van kötegelni is. A fényvezető szál nagy törésmutatójú üvegből készült magból (de elemi szál átmérővel, kötegelés esetén az elemi szálak középpontjának De távolságával), valamint az azt körülvevő köpenyből (mechanikus védelem, valamint optikai szigetelés feladattal, melyekből minimális mérete meghatározható) áll. Ebben a megvilágításban az optikai szál alapvető feladata a fény és az optikai kép minél jobb hatásfokú átvitele. A fény továbbításának lehetőségét elemi optikai szálakon a teljes reflexió fizikai jelensége teremti meg. Az elemi fénytovábbító optikai szál magja, valamint a magot körülvevő burkolat törésmutatójának különbözősége alapján a szálba belépő fénysugár a közeghatárról visszaverődik, (a burkolat törésmutatója kisebb, mint a magé) a fénytörésre vonatkozó szabályok alapján az elemi szálba belépett (Θ1 belépési szöggel) fénysugár többszörös visszaverődés után a szál végén abból kilép(Θ2 kilépési szöggel). (3.1.ábra) 11

A fénytovábbító szál görbületi sugara nem lehet kisebb, mint a szál átmérőjének tízszerese, ez a tény indokolja a törekvést, hogy az elemi szálak átmérőjét a lehetőségek szabta minél kisebb értékre válasszák. Ugyanakkor a kis görbületeknél számolni kell az üvegszálban keletkező hajlító feszültséggel, amely túlzottan kis görbületi sugár esetén az üvegszál eltöréséhez vezethet.

3.1. ábra Fénysugár ki- és belépése az elemi szálba, az üvegszálon belüli útja

A üvegszál segítségével megvalósított fénytovábbítás sajátosságainak vizsgálatához a fényvezető szálak néhány fénytani jellemzőjének ismerete szükséges, mely alapfogalmakat a 3.2. fejezet tartalmazza. 3.2.1. A be - és kilépési félszögek határértékeinek kérdése Az a maximális belépési szög, amely esetben az elemi szál képes a fény-nyalábot továbbítani, alapvetően az elemi szál magjának, valamint köpenyének törésmutató különbségétől függ. Az optikai szálba, egy annak meridionális síkjában belépő fénysugár a szálon áthaladva mindvégig ebben a síkban marad. A nem meridionálisan belépő fénysugár totálreflexiós beesési síkja az egyes reflexiók között mintegy körbe forog a szál tengelye mentén, így a Θ1 szög alatt beeső fénysugarak egy Θ2 nyílásszögű kúp palástja mentén hagyják el a szálat. Az a határszög, (Θ0) amin belül a totálreflexió feltétele teljesül, a rendszer elemeinek törésmutatóitól függ, az alábbiak (3.1) szerint:

(

N ⋅ A ⋅ = n 3 sin Θ 0 = n 12 − n 22

)

1

2

(3.1)

ahol N.A. : a numerikus apertura (az n3 sin Θ0 kifejezés) n3 : a környezetre vonatkozó törésmutató index (levegőből való belépés esetére 1) Θ0 : a belépő fénysugár elemi szál tengelyéhez viszonyított maximális szöge n1 : az elemi szál magjának törésmutató indexe : az elemi szálat körülvevő burkolat törésmutató indexe n2 A MOM (Magyar Optikai Művek) által készített elemi üvegszálak vonatkozásában a belépési szög Θ1 értéke 38° levegőre vonatkoztatva, míg a numerikus apertúra N.A. 0,61 értéket ér el. [12] 3.2.2. A fényáteresztés mértékének valamint az üvegszál hosszának kapcsolata Egyedi fényvezető szálakat a gyakorlatban igen ritkán használnak. Az egyes elemi szálak átmérője a szokásos 10...70 µm között változik. (Az elemi szálak szilárdsága, valamint minimális hajlítási sugara nagymértékben függ azok átmérőjétől. Az összefüggés fordított arányosságot követ, azaz az átmérő csökkenésével nő a szilárdság, és csökken az a sugár, amiben a szál még törés nélkül meghajlítható). Az elemi szálakat kötegelt formában használjuk, melyekben a szálak többnyire szabadon helyezkednek el. A kötegek végei 12

foglalatban (beragasztva) helyezkednek el, amely végeket csiszolást követően optikailag políroznak. A fényáteresztés mértéke a kötegen áthaladó, valamint a kötegbe belépő fényáramok hányadosával (százalékos aránya) határozható meg.

τ=

Φτ Φ

(3.2)

ahol Φτ a kötegen áthaladó fényáram Φ a kötegbe belépő fényáram mértéke A fényáteresztés mértékét az alábbi tényezők befolyásolják τ = η PFr Ptot τabs ahol η PFr Ptot τabs

(3.3)

térkitöltési tényező (a szálmagok felületösszegének aránya a köteg teljes felületéhez) felületi reflexiós tényező totálreflexiós tényező abszorpciós tényező, melyet a mag üveganyag minősége határoz meg

A felületi reflexiós tényezőt az alábbi (3.4) összefüggéssel határozhatjuk meg, a mag anyagának törésmutatója ismeretében

PFr =

2n n12 +1

(3.4)

A totálreflexiós tényező (szálon belüli inhomogenitások, melyek döntő többsége a két határfelületre tevődik) az egy reflexiónál fellépő ρ veszteség ismeretében számítható, az alábbiak ( 3.5) szerint Ptot = (1- ρ)mt

(3.5)

ahol mt az L hosszúságú szálban a totálreflexiók száma. Szokásos értéke a határszög közelében 10-4-10-5 méterenként. A τabs –al jelölt abszorpciós tényező a mag üveganyagában szennyezőként jelen levő nehézfém ionok következtében előálló veszteség. Meghatározásához a katalógusokban szereplő 100 mm üvegvastagságra vonatkoztatott τi (belső áteresztési tényező) értékből kell kiindulni, amely L köteghosszúság esetén ( 3.6)

τ abs =τ

L 100 cos Θ1 i

Száloptikaként csak azok az üvegek alkalmazhatók, ahol a τi nagyobb.

(3.6) 100

értéke 0,98 értéknél

A szorzat nem függ a köteg hosszától, a nulla hosszúságra interpolált fényáteresztés mértékét határozza meg. Mindezek alapján az elemi szálakból kötegelt fénytovábbító kábelek hosszának a fénytovábbítás intenzitására gyakorolt hatását a 3.2. ábra mutatja [12]

13

τ (%) 70 60 50 40 30 20 10 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

6

köteghossz (x1000 mm) 3.2. ábra Fénytovábbítás intenzitásának változása a fénytovábbító kábel köteghosszának függvényében

A fényáteresztési (fénytovábbítási) képességet az optikai szál választott köteghosszán túlmenően még az alábbi tényezők befolyásolják: - az alkalmazott üveg mag abszorpciós képessége - a ki- és belépő felületek reflexiós paraméterei - lekerekített (síktól eltérő) elemi szál végződések - törött optikai szálak - nem kellően tükrösített be- és kilépő felületek - a mag és a burkolat határfelületén fellépő egyenlőtlenségek - a kötegelt elemi szálak közötti - fénytovábbítás szempontjából kihasználatlan terület nagysága - az elemi szál átmérőjének viszonya a burkolat vastagságához 3.2.3. Optikai szál által továbbított fény hullámhosszának hatása a továbbított fény intenzitására Az optikai szálak alapvetően a látható fény tartományát továbbítják, közel az infra tartományhoz, másképpen az ultra-viola tartományba eső hullámhosszak továbbítására nem alkalmasak.

Az egyes kábelkötegeknek a különböző kábelhosszakra, mint paraméterekre (az egyes görbéken a köteghosszak szerepelnek, mm mértékegységben megadva) vonatkoztatott spektrális fénytovábbítási képessége a 3.3. ábrán [12] látható. Hangsúlyozni érdemes, hogy a száloptika a 3.3. ábra tanúsága alapján a látható fény spektrumát teljes egészében átengedi.

14

3.3. ábra Különböző hosszúságú fényvezető kötegek spektrális áteresztési görbéi. Az egyes görbéken paraméterként feltüntetett mérőszámok a száloptikák köteghosszai, mm mértékegységben.

A látható fény teljes tartománya áteresztésének ismeretében azonban néhány megjegyzést kell tenni a különböző színű fényhullámok áteresztésére. Hosszabb kötegek esetén a spektrum kék színeinek erősebb abszorbciójával kell számolnunk, mely eredményeként az áteresztett fény sárgászöld színárnyalatot kap. A spektrális áteresztés az alábbi (3.7) összefüggéssel, az áteresztett és beeső spektrális sugárzási fluxusok hányadosával számítható:

τ (λ ) =

(Θ eλ )τ Θ eλ

(3.7)

ahol Θeλ a fényforrás spektrális energiasűrűsége. A spektrális áteresztési diagramok tartalmazzák az egyes szálkötegek színtorzításra vonatkozó adatait is. Néhány speciális optikai alkalmazás esetében szükség lehet a színtorzítás figyelembevételére, melyet színkoordinátákkal, vagy színhőmérséklet eltolódás megadásával szokás kezelni. 3.2.4. A képfeloldás kérdése Rendezett (képtovábbító) kötegek esetén az elemi szálak elrendezésére vonatkozóan, teljesülnie kell annak a feltételnek, miszerint egy feltételezett mátrix sorának és oszlopának egyes pontjaiban elhelyezkedő szálak sorrendje és egymáshoz viszonyított helyzete a köteg ki- és bemeneti végén azonos legyen. (3.4. ábra) A továbbított képek információ tartalma (a kép feloldás mértéke) a képpontok méretének és a kötegelt szálak egymáshoz viszonyított elrendezésének a függvénye. A feloldás tehát függ az elemi szál méretétől (átmérőjétől), a köteg rendezettségétől (képpontok optikai tengelyeinek egyenletes távolsága), az elhelyezkedés struktúrájától (pl. a köteg szálainak háromszöges, vagy

15

négyszöges elrendezése). A 3.4. ábrán egy négyszög struktúrában elrendezett képtovábbító köteg elvi vázlata látható.

3.4. ábra Rendezett köteg szálainak elhelyezkedése a ki- és a belépő felületeken, négyszöges elemi szál elrendezés esetén

A képfeloldás vizsgálatával határozhatjuk meg a száloptika által még felismerhető tárgyak minimális méreteit. A vizsgálat két területre, nevezetesen a pontfeloldás és a vonalas képfeloldás vizsgálatára terjedhet ki. A feltételezett mátrixban elhelyezkedő elemi szálak, az egymás alatt elhelyezkedő sorok alakzati struktúrája alapján beszélhetünk háromszög és négyszög beágyazásról. A pontfeloldás mértékének meghatározásakor a kötegben elhelyezkedő szálak struktúráját (geometriai alakzatát), valamint az elemi szálak tengelyeinek egymástól mért távolságát kell figyelembe vennünk. A háromszög (∆), és négyszög (/ ) struktúrájú rendezett kötegek esetén egy δ átmérőjű tárgy észlelésének feltétele a ( 3.8) és ( 3.9) összefüggések alapján:

δ∆ 〉

2 De 3

− d e , illetve δ

〉 De 2 − de

(3.8 - 3.9)

ahol De az elemi szálak középpontjának távolsága, míg de az elemi szál átmérője. A 3.1. táblázatban 30, 40, valamint 50 µm De az elemi szál középpont távolságra vonatkozóan láthatjuk összefoglalva háromszög, valamint négyszög struktúra esetén a felismerhető legkisebb tárgy méreteket. 3.1. táblázat A pontfeloldás mértékének alakulása különböző De az elemi szálak középpont távolságok esetén, 17 µm de az elemi szál átmérő feltételezésével De az elemi szálak A pontfeloldás mértéke [µm] középpont távolságra [µm] háromszög (∆) elrendezés négyszög (/ ) elrendezés 30 17,68 25 40 30 39,4 50 41 53,5 A 3.1. táblázat adatainak vizsgálatából kitűnik (tekintettel azok igen kis értékére még a legnagyobb elemi képpont-távolság esetén is), hogy a képfeloldás mértékét abban az esetben, amikor elektronikus megjelenítő eszközt (pl. televízió képernyő) alkalmazunk, 16

elsődlegesen ennek a megjelenítő eszköznek a felbontása fogja meghatározni (t.i. az elektronsugaras képernyők szabványban rögzített képpont távolsága - minőségtől függően - 0,2...0,48 mm értékek között változik). A vonalas képfeloldás vizsgálata rácsháló képének optikai átvitelével történik. A felbontás mértékét (vonalpár/mm), az alkalmazott elemi kötegszál átmérőjének függvényében a 3.6. ábra mutatja [12]. A 3.5. ábrán bemutatottak alapján – feltételezve, hogy de = 17 µm az elemi szál átmérőt biztosítani tudjuk a száloptika köteg megválasztásakor – látható, hogy a 25 – 30 vonalpár/mm felbontás az így megválasztott száloptika köteggel biztosítható. Ebben az esetben - hasonlóan a pontfeloldás mértékének meghatározásánál bemutatottakhoz – a megjelenítéskor a minimálisan megjeleníthető méretet az elektronikus megjelenítő eszköz felbontásának határa szabja meg.

3.5. ábra Fénytovábbító köteg felbontása (vonalszám pár/mm) a száloptika köteg elemi szálátmérőjének függvényében

A 3.2.5. fejezetben találjuk összefoglaló jelleggel, a 3. fejezetben bemutatottak alapján, száloptikák megválasztásánál figyelembe veendő fontosabb tényezőket.

3.2.5. A száloptika kötegek megválasztásának szempontjai A fény és képtovábbító kötegekre vonatkozó – felhasználói szintű – alapösszefüggések áttekintését követően megállapítható, hogy annak igénye, miszerint egy vizsgálati feladathoz lehetőség szerint minél hosszabb száloptika köteget alkalmazzunk (azaz az információt minél távolabbra tudjuk eljuttatni), ugyanakkor a vizsgált felületet a lehető

17

legnagyobb fényintenzitással és megfelelő felbontással tudjuk vizsgálni, csak kompromisszum árán teljesíthető (nem tekintem korlátozó tényezőnek ebben a vonatkozásban a kábel köteghosszával mintegy négyzetesen arányos bekerülési költséget). A megválasztáskor geometriai, valamint a fényáteresztéssel összefüggő kérdéseket kell megvizsgálnunk, az alábbiak szerint: - a megfelelő száloptika köteg kiválasztásánál figyelemmel kell lennünk azokra a geometriai sajátosságokra, amelyekből következően a száloptika köteg hajlítást szenvedhet alkalmazása során. Ebben az összefüggésben a fénytovábbító szál görbületi sugara nem lehet kisebb, mint az alkalmazott szál átmérőjének tízszerese. Ellenkező esetben a szálak mechanikai sérülésével kell számolnunk, -

a fényáteresztés köteghossz függvényében bemutatott vizsgálata τ értékének 40...50% közötti intervallumba esését indokolja. Ebbe az intervallumba eső köteghossz: 1600...3000 mm tartományra (3.2.ábra) adódik,

-

a normál fényvezető kötegek spektrális áteresztési görbéinek ismeretében (3.3.ábra) 500...1200 nm hullámhosszúságú tartomány (a látható fény gyakorlatilag teljes spektrum) feltételezésével, a fentebb alapul vett τ fényáteresztés alkalmazásával kiadódó köteghossz intervalluma: 1200...2500 mm tartományba esik,

-

nagyobb köteghosszúságoknál (2500 mm és hosszabb) a spektrum kék színeinek erősebb abszorbciója miatt az áteresztett fény színeltolódást (sárgászöld elszíneződést) szenved. Tekintettel az optikai feszültségvizsgálatnál általánosan alkalmazott színes sávrendszerek értékelésére, a fénynyaláb átmérője mentén változó színkorrekció végrehajtása nem kívánatos,

-

a N.A.- nak megfelelő beeső fénynyaláb szöghelyzete nem jelent éles határt, a köteg kis fénysűrűséggel nagyobb szögekben is világít. Ez a tény a törésmutató módosulására (diszperziójára) utal, azaz a határszög értéke kék sugarakra nagyobb, mint a spekrum vörös színeire. Ilyen esetekben a sugárkéve szélén keskeny kék színeződést tapasztalunk, amely a megvilágító fényforrás megfelelő (szög alatti) elhelyezésére hívja fel a figyelmet,

-

képtovábbító köteg tekintetében – gyártástechnológiai okokból eredendően – elsősorban a négyzetes köteg elrendezéssel kell számolnunk. Mind a pontfeloldás (3.1. táblázat), mind a vonalas képfeloldás tekintetében megállapíthatjuk, hogy a (3.5. ábra) a 12...17 µm értékek közé eső elemi szálátmérő választásával a képfelbontás mértéke a száloptika végén megjelenítve, a legrosszabb elrendezési esetben (elemi szálak optikai tengelyének legnagyobb távolsága, lásd 3.1.táblázat, valamint négyzetes kötegelrendezést feltételezve) is mintegy 50µm. Megállapítható, hogy a képfelbontás határát a rendszer egyéb (pl. megjelenítő elektronsugaras képernyő) elemei korlátozzák.

18

3.2.6. A fény vezetésére és a kép továbbítására ténylegesen kiválasztott száloptikák geometriai adottságai A 3.2.5. pontban összefoglaltak értékelése alapján – tekintettel a dolgozat célkitűzésében megfogalmazott, minipolariszkóp számára fényvezetésre és kép továbbításra alkalmas száloptikák helyes megválasztására - a Magyar Optikai Művek kínálatából a 3.2. táblázatban található paraméterekkel rendelkező száloptikákat választottam:

3.2.táblázat Mini polariszkópban alkalmazható, fényvezetésre és képtovábbításra alkalmas kötegek fontosabb geometriai adatai

Főbb geometriai és elrendezési adatok

Fényvezető köteg

Képtovábbító (rendezett) köteg

tokozott köteg hosszúsága [mm] kötegelt fényvezető szál átmérője (tokozat nélkül) [mm] rendezett köteg keresztmetszete (tokozat nélkül) [mm x mm] kötegen belül megvalósított szálelrendezés

1800

1500

sztohasztikus

négyzetes

elemi szálak átmérője [µm]

17

14

13

18

18

22

szálvégek befoglaló tokozatának mérete [mm] védőburkolat külső átmérője [mm]

3,5 4x4

19

4. Reflexiós polariszkóp tervezése célkitűzés szerinti feladatra 4.1. A feladat behatárolása A célkitűzésben körvonalazott "belső üregek és sarkok környezeteiben, erősen görbült, tagolt felszíneken (is), különösen pl. járműváz szerkezeteknél alkalmazott különböző típusú hegesztés-környezeteken használható optikai feszültségvizsgálati mérőrendszer kidolgozására" egy olyan reflexiós polariszkóp kimunkálását feltételezi, amely célkitűzésben meghatározott követelményeknek - méreténél fogva, - fény, és képvezetési (továbbítási) lehetőségeit tekintve, valamint - a készülékkel mérhető adatok (alkalmas az egész, és fél értékű rendszámok meghatározására, valamint az iránysávok felvételére) felvételével és a - a mért nyúlás, és feszültségállapot rögzítésével (rögzíthetőségével) megfelel.

4.2. A reflexiós optikai feszültségmérés berendezéseinek rövid áttekintése, néhány történelmi vonatkozása A rétegbevonatos optikai feszültségmérés eljárásának alkalmazására tett első kísérletek az 1900-as évek elejére tehetők. A teljesség igénye nélkül a kezdeti kísérletek közül a legjelentősebbeket [8], [13], [14] kiemelve megállapítható, a készülékek a hagyományos polarizációs optikai berendezések elvi felépítését követve épültek, azzal a különbséggel, hogy – tekintettel a vizsgált tárgy felszínéről visszavert fénymenet útjára – a vizsgálatra használt szűrő-párt egymás mellé helyezték el a készülékükben (lásd 2.1, 2.2. ábrák). A készülékek fényforrása általában valamilyen színtelen (fehér) fényt biztosító izzó, esetleg valamilyen jellegzetes monokromatikus hullámhosszon működő (pl. nátrium) megvilágító berendezés. A mérési eredmények kezdeti értékelése általában két polarizációs szűrő által kapott információn alapultak [14], [15], [16]. Az 1950-es évek közepétől általánossá vált a negyed hullám szűrő-párok alkalmazása is, lehetőséget biztosítva az iránysávok, valamint a trajektória hálózatok felrajzolására [17], ezáltal a szükséges konstrukciós módosítások viszonylag könnyű végrehajtására. Az 1960.-as, 70-es években két jellegzetesen megkülönböztethető irányban mutatkozik fejlődés a berendezések tekintetében. Az egyik fő irányvonal a megvilágító fényforrások változtatására irányul. Elsődlegesen az ekkora már igen jelentős fejlődésen átesett lézer fényforrások alkalmazására tett kísérleteket lehet említeni [18][19], amelyek részben kapcsolatba hozhatók a módszer dinamikus folyamatok mérésére való alkalmassá tételére tett lépésekkel. Ebben az időben mutatkozik egyre markánsabb igény – a számítástechnika rohamos fejlődésének kezdeti szakasza – a mérési módszer eredményeinek részbeni, vagy teljes automatizálására, melyek közül néhányra a következő irodalmakban találunk példát [20], [21], [22], [23].

20

Érdemes egy kis kitérőt tenni ezen a ponton, különösen azért, hogy lássuk, az 1980-as évek kezdetére tehető vita, – miszerint a számítási eljárások rohamos fejlődése szükségtelenné teszi egyes mérési eljárások további alkalmazását és fejlesztését, – hogyan hatott ugyan más fizikai elven működő, de hatásaiban hasonló területeket (alkatrész felszínek deformációs, valamint feszültség mezőit) vizsgáló eljárások fejlődésére. Ebben az időszakban a szerkezetek vizsgálatában a különböző optikai eljárások, mint holografikus és speckle interferometria [24], [25] a divatos módszerek, melyekkel elsődlegesen a vizsgált felszínek elmozdulásait (néhány ezred mm nagyságrendig), egyes törésmechanikai paramétereit [26], dinamikus folyamatok hatására kialakuló rezgésképeit (pl. zajvizsgálatokhoz) lehet analizálni. Itt említhetjük a caustica módszere repedéscsúcs környezetekben történő alkalmazásának bemutatkozását, melynek egyik első nemzetközi (európai) megjelenése az első Duna-Adria Szimpóziumra (1984) esett [27]. Az 1990-es évek közepéig a hangsúly érzékelhetően a különféle holografikus, kombinált Moire eljárások alkalmazása irányába tolódott pl. [28],[29]. Néhány, a kiértékelést megkönnyítő kombinált eljárás bevezetésének kísérletéről pl. [30] is olvashattunk az irodalomban, a műszerezettség általában összetett és drága voltára tekintettel átütő sikert ezek a kezdeményezések nem arattak.

4.3.

Az ismertebb, létező berendezések bemutatása

reflexiós

polarizációs

optikai

Az 1990-es évektől számíthatóan – minekután az elmélet-mérés kérdésének vitája lezártnak tekinthető a hibrid módszernek a problémamegoldásban általánosan elfogadottá vált alkalmazásával – ismét több szó esik egyes feszültségoptikai kísérleti berendezések fejlesztéséről. Ezt alátámasztja, és a folyamat kiteljesedéséhez nagymértékben hozzájárult, hogy a gyártással foglakozó multinacionális vállalatoknál a kísérleti munka lényegében soha sem vesztette el jelentőségét, legfeljebb a műszaki közvélemény az elvégzett kísérletek szigorúan védett jellege miatt erről nem, vagy csak kerülő úton, és később szerzett tudomást pl. [31], [32]. A 2.1. ábrán bemutatott félig áteresztő tükrös működési elven alapuló berendezésre hazai megvalósításban találunk példát Kaifás féle készülék megjelölésével, a szerzőre történő utalással [33]. A berendezés felépítési vázlatát a 4.1. ábra szemlélteti. Fényforrása szórt fényt kibocsátó berendezés, melyhez kondenzor illeszkedett. A berendezés érdekessége, hogy a megfigyelő helyén alkalmazott fényképezőgép helyére fotocella is illeszthető volt. Ennek az opcionális kiegészítő berendezésnek a tényét a feszültségoptikai képek kiértékelésének automatizálására irányuló kezdeti lépések egyikeként értékelhetjük. Az egymás mellett elhelyezkedő, közel párhuzamos sugármenetet (elvi elrendezést lásd 2.2. ábrán) megvalósító berendezésekre, a [34] - ben összefoglaltak alapján a 4.2. ábrán láthatunk példát. A fényforrás ebben az esetben szórt fényt előállító berendezés. Az ábrán látható jelölések átvettek (az ábra saját jelölései), azok értelmezése az ábra alapján követhetők. A 2.2. ábrán vázolt elrendezési elvhez hasonlóan működő berendezést láthatunk a 4.3. ábrán [35]. A készülék sajátossága, hogy annak optikai tengelyéhez képest a megvilágító és megfigyelő fénymenetetek szöghelyzete állítható volt. Fényforrása szórt fényt előállító eszköz. 21

4.1. ábra Félig-áteresztő tükrös fénymenet elve alapján működő (Kaifás féle) berendezés elrendezési vázlata

4.2. ábra Közel párhuzamos sugármenetet megvalósító készülék egyszerű (csak polarizációs szűrőt tartalmazó) kivitele, az átvett ábra jelölései önmagukban értelmezhetők

22

4.3. ábra Schwieger féle, a készülék optikai tengelyéhez képest állítható polarizációs tengelyekkel rendelkező kivitellel.

A Schwieger féle (4.3. ábra) készülékhez hasonló elven működő berendezésre hazai tervezésben és kivitelezésben találunk példát. A BME Acélszerkezetek Tanszékének munkatársai, Nagy Dezső és Szittner Antal által tervezett, a Tanszék saját kivitelezésében (1970) megvalósított (Garas Pál és Nagy Zsigmond műszerészek munkája) szórt fényű reflexiós polariszkópról készült felvétel a 4.4. ábrán látható. A készülék negyed hullám lemezeket is tartalmazott.

4.4. ábra Szórt fényű reflexiós polariszkóp (Nagy - Szittner fféle), a BME Acélszerkezetek Tanszékének tervezésében és kivitelezésében

A kísérleti berendezéseket forgalmazók a piacot folyamatosan tájékoztatták újdonságaikról, melyek mind többet tudó és bonyolultabb kiegészítőket kínáltak a már eladott készülékekhez. Példának a feszültségoptikai mérőberendezések területén vezető pozícióval rendelkező Vishay ide vonatkozó bulletin-jét hivatkozom [36], amely bemutatja az egyszerű polariszkóp kompenzátorához illeszthető digitális kijelzőt, amely 23

számítógéphez (is, és nyomtatóhoz is) csatlakoztatható. A készülékgyártók új készülékek tervezését és piaci bevezetését is kezdeményezték, melyre példa a már hivatkozott Vishay cég új típusú, nyakba akasztható, digitális kijelzővel ellátott berendezése [34], [36], amely a 4.5. ábrán kerül bemutatásra. A készülékgyártók az eredmények kiértékelése tekintetében számos esetben mutatnak be olyan kiegészítő eszközt vagy eljárást, amelynek alkalmazása a felhasználót segíti az eredmények gyorsabb feldolgozásában. Erre látunk példát a [37] – ben a lyukfúrásos technika feszültség-szeparációban történő alkalmazásával, valamint [38] – ben a kéttengelyű fotoelasztikus feszültségmérő bélyeg bemutatásával.

4.5. ábra Vishay digitális kijelzésű reflexiós polariszkópja. Az ábrán alkalmazott jelölések az alábbiak: 1: polarizációs szűrők, 2: iránysáv – rendszám átkapcsoló, 3: polarizációs szűrő helyzet váltó, 4: kompenzátor, 5: színsáv rendszám érték kijelzője, 6: iránysáv szöghelyzet kijelzője, 7,9,11: fényforrás kapcsolók, 8, 10: fényforrás visszajelzők, 12, 13, 14: szűrőhelyzet visszajelzők, 15: főkapcsoló.

A reflexiós polarizációs optikai berendezés méreteinek csökkentése irányában jelentkező elképzelésekkel az irodalomban mindez ideig csak egy alkalommal találkoztam [39]. Az itt hivatkozott Jacek Stupnicki lengyel professzor munkájaként 1990-ben jelent meg írásban a XIV. Lengyel Feszültségmérő Kongresszuson, Varsóban. A készülék elrendezési vázlata a 4.6. ábrán látható.

24

4.6. ábra Stupnicky féle mini polariszkóp elrendezési vázlata 1:képtovábbító köteg, 2: fénytovábbító köteg szegmensek, 3: lencse, 4:polarizátor, 5:analizátor.

A dolgozat tárgyát képező készülék bemutatkozása erre az időpontra már megtörtént, 1989-ben, Moszkvában, nemzetközi, anyagvizsgálatban alkalmazott kísérleti berendezések tárgyú szimpóziumon bemutatásra került [40]. A két hasonló elnevezésű ([39] és [40]) készülék jelentősen eltér alkalmazhatósági területét illetően. Nevezetesen a Stupnicki professzor úr által fejlesztett készülék bár igen kis méretű (15 mm külső átmérő), azonban mindössze egy fix beépítésű polarizációs szűrő-párral rendelkezik. Az igen kis méretet a koncentrikus körökben elhelyezett megvilágító (körgyűrű szegmensek) és képtovábbító (központosan) elrendezés eredményeként lehetett elérni. A készülék használata azonban kizárólag az egész rendszámok felvételét teszi lehetővé, (fix beépítésű keresztezett polarizátor állás) miután a polarizációs szűrők forgatására nincs lehetőség. Ugyancsak nincs mód az iránysávok felvételére negyed hullámlemezek hiányában, így a trajektória hálózat felrajzolására sem ad lehetőséget a készülék használata. Ugyanakkor rendkívüli kis átmérőjének eredményeként közelíti az orvosi alkalmazásoknál szokásos geometriai méreteket, ami vizsgáló réteggel ellátott rejtett (elsősorban belső) területek vizsgálatára igencsak alkalmassá teszi.

25

4.4.

A mini polariszkóppal szemben támasztott alapkövetelmények meghatározása a mérendő mennyiségek vonatkozásában

Egy vizsgált szerkezet nyúlás és feszültségállapotának elemzéséhez ismernünk kell az adott szerkezetben a terhelések hatására kialakuló nyúlások nagyságát valamint a nyúlás (feszültség) vektor irányát. A feszültségvizsgáló berendezéssel szemben tehát azt a célkitűzést kell megfogalmaznunk, miszerint legyen alkalmas mind a terhelés nagyságára jellemző adatok (színsáv rendszámok), mind az irányok (iránysávok) meghatározására. Ezen adottságokkal rendelkező polariszkóp egy lehetséges elvi vázlatát a 2.1. ábrán láthatjuk. A gyakorlatban általánosan alkalmazott reflexiós polariszkópok szűrőrendszerét egymás mellett helyezik el, a 2.2. ábrán bemutatott elvi elrendezési vázlatnak megfelelően. Azon tény alapján, miszerint a célkitűzésben lehetőség szerint teljes (nagyságot, és irányt is magában foglaló) feszültséganalízis megvalósíthatására alkalmas készülék kialakítása szerepelt, 2 - 2 szűrő-párt, azaz polarizátort és analizátort, valamint negyed-hullám lemez párokat tartalmazó berendezés megvalósítására irányuló erőfeszítés látszott indokoltnak. A célkitűzésben szerepelt továbbá az adatok rögzíthetőségének igénye is. A rendelkezésemre álló, és áttekintett irodalom olyan kisméretű készülék vonatkozásában, amely a célkitűzésben foglaltaknak megfelelően alkalmas szűrő – elrendezést (2 – 2 szűrő-pár, megfelelően forgatható kivitelben), adatfelvételt és továbbítást (belső terek, alakos felszínek vizsgálatának lehetősége a fénymenet lehetőség szerinti vizsgált felszínre merőleges, a képi információ úgyszintén a vizsgált felszínre merőleges továbbításának lehetőségével), biztosítana a mért adatok rögzítésnek lehetőségével, nem tartalmazott kielégítő adatokat. Mindezek alapulvételével indítottam munkámat a

-

száloptika használatán alapuló fénymenet és képtovábbítás felhasználva a készen vásárolható száloptikák beépítési adatait,

-

törekedve a lehetőségek szerinti (általam megvalósítható) legkisebb méretekre a mérőfej vonatkozásában,

-

a mérőeszközhöz adatrögzítő kapcsolhatósága irányában,

-

figyelemmel a gyárthatóság,

-

a szerelhetőség,

-

az élettartam (anyagpárosítás), valamint

-

a megbízható működtethetőség (néhány) alapvető követelményeire.

(jelen

esetben

videóegység)

irányában,

berendezés

26

4.5. Száloptikához illesztett, videó rögzítővel felszerelt mini polariszkóp kialakítása 4.5.1. "Mini" polariszkóp - mérőfej geometriai méreteinek meghatározása A kisméretű, "mini" polariszkóp legfontosabb külső méreteinek meghatározásánál (befoglaló méretek, szűrő távolságok, élesre állíthatóság távolsági lehetőségei) három fő követelmény csoport alapján lehetett a szükséges adatokat meghatározni, nevezetesen:

-

a rendszer szerkezeti elemeinek befogadására alkalmas méretek biztosítása,

-

a vizsgálatok lefolytatására és az eredmények kiértékelésére alkalmas polarizációs optikai fényviszonyok (szűrők, lencsék alkalmazásával) megteremtése,

-

a rendszer mozgató, és ahhoz kapcsolható mechanizmusainak (pl. szűrőhelyzet visszajelzés) cél szerinti működését biztosító elemek kidolgozása.

A három, fent nevesített követelmény - csoportba tartozóan az alábbi meghatározó jellegű bemenő adatokat (követelményeket) kellett megfelelően értékelni: -

a száloptika kötegek külső burkolatának (fegyverzetének) méretei,

-

fénytovábbító köteg által biztosított fénynyaláb fénymenetének rendezésére alkalmas lencse (átmérő és vastagság) méretei,

-

képtovábbító köteg által továbbítandó (képi) információt a köteg belépési síkján fókuszáltan biztosító lencserendszer (átmérő és szerkezeti vastagság) méretei, figyelemmel a vizsgált tárgy minél jobb megközelíthetőségére (pl. 50 mm-től), valamint a minél távolabbi tárgytávolságra is (pl. 350 mm-ig),

-

lencsén átvezetett fénynyaláb intenzitásának a polarizációs szűrő(k) állagára (hőmérsékletfüggő stabilitására) gyakorolt hatása,

-

az alkalmazni kívánt polarizációs szűrők geometriai méretei, legfőképpen külső átmérője és vastagsága,

-

a szűrők forgatásra alkalmas foglalatok méretei, legfőképpen külső átmérőjük és szerkezeti magasságuk (vastagságuk),

-

a szűrő-párok páronkénti és együttes forgatásának lehetőségét biztosító mechanizmus (valamilyen fogaskerék hajtás) méretei és működtetési lehetősége,

-

a szűrőrendszer olyan távműködtetésének megvalósítása, amely hosszméretét tekintve azonos (vagy közel azonos) a száloptikai rendszer hosszúsági méretével,

-

a polarizációs szűrőrendszer mindenkori helyzetének ismerete, az ehhez szükséges adatszolgáltató egységek geometriai méretei,

-

a szűrő helyzeteit tartalmazó információ továbbítására alkalmas elemek geometriai méretei, 27

-

olyan anyagpárosítások megvalósítása (tekintettel a forgó alkatrészekre), amelyek megbízható és könnyű működtetés mellett a minimális karbantartási igényt biztosítják,

-

a teljes szerkezet befoglalására alkalmas, annak külső védelmét biztosító, megfelelően szilárd, a belső szerkezeti méreteket jelentősen nem növelő burkolat (fal)vastagsági méretei.

A fenti adatok aprólékos mérlegelése, az egyes tételek egymásra hatásának tüzetes elemzése alapján olyan hengeres kialakítású mérőfej megtervezése és kivitelezése tűnt a legcélszerűbbnek, amelynek az alábbi, méréstechnikai szempontból meghatározó jelentőséggel rendelkező főbb geometriai adatai vannak (4.1. táblázat): 4.1. táblázat Mini polariszkóp mérőfejének főbb geometriai adatai Fontosabb geometriai adtok

Méret

Mértékegység

polarizációs szűrők középpontjainak távolsága

22

[mm]

polarizációs szűrők külső átmérője

10

[mm]

polarizációs szűrők vastagsága

0,6

[mm]

polarizációs szűrők fókuszált fényforrástól mért távolsága

15

[mm]

mini polariszkóp hengeres burkolatának külső átmérője

50

[mm]

mini polariszkóp hengeres burkolatának hosszúsága

50

[mm]

Jelen dolgozat kerete és célkitűzése nem indokolja a további munkafázisok részletes - a tervezés, az azt követő alap kísérletek valamint a kivitelezés - bemutatását.

A berendezés két legfontosabb egysége a szűrőház, a szűrők foglalataival, amelyek külső fogazatú (0,4 modulú) gyűrűként kiképzett fogaskerék testként kerültek kialakításra, valamint a száloptika fegyverzeteket a hozzájuk illesztett optikai egységekkel befogadó száloptika tartó tömb. A készülék mérőfejének két legösszetettebb eleméről készült szerkezeti rajzot a 4.7. ábra, valamint a 4.8. ábra mutatja. A mini polariszkóp alkalmazásával, hegesztett vékonyfalú négyszög szelvényekből épített sarokelemek (T tartók) rétegbevonatos vizsgálata során rögzített rendszám eloszlásokat – a "T" tartók terhelési körülményeinek bemutatásával – a II. számú melléklet tartalmazza.

28

4.7. ábra Mini polariszkóp mérőfeje száloptika kötegek rögzítésére szolgáló tömbjének alkatrész rajza

29

4.8. ábra Mini polariszkóp mérőfeje szűrő és forgató egységet befogadó szerkezeti egységének alkatrész rajza

30

4.5.2. Videó rendszerhez illesztett, száloptikás mini polariszkóp mérőrendszerének alap-összeállítása A következőkben a teljes mérőrendszert, valamint annak egyes fontosabb elemeit mutatom be. A felsorolás és bemutatás csak ismertetés szinten tartalmazza a rendszer egyes elektronikus (képfelvevő és rögzítő, valamint kép megjelenítő) elemeit.

A 4.9. ábrán a teljes mérési alap összeállítás látható, külön videó felvevő és képrögzítő egység alkalmazásával.

4.9. ábra Száloptikás mini polariszkóp alap összeállítása

A képtovábbító köteg és a videó felvevő közötti optikai kapcsolat megteremtésére optikai illesztő közdarabot (lencserendszert) kellett elhelyezni, amelynek funkciója a felvevő makró állásában biztosítani a képtovábbító köteg kilépő síkjára fókuszált éles képet. A 4.10. ábra az optikai illesztő közdarabot mutatja, a videó kamera, valamint a képtovábbító között elhelyezkedve. A 4.11. ábrán a mini polariszkóp szűrő-rendszere látható szétszerelt (robbantott ábrás) helyzetben. Az ábra mutatja a szűrő házat, a szűrők foglalatait, – amelyek egyben a szűrők forgatásához alkalmazott fogaskerék hajtáslánc elemei, – a szűrők rögzítését biztosító rugós rögzítő gyűrűket, valamint szemlélteti a polarizációs szűrőket.

31

A szűrőház összeszerelt állapotát a 4.12. ábrán láthatjuk. A szűrőházból kiálló tengely (forgatórúd) szolgál a megfelelő szűrő pozíciók beállításához. A forgatórúd mechanikus bowden-nel csatlakozik a távirányító egységhez.

4.10. ábra Optikai illesztő közdarab, képtovábbító köteg és videó felvevő összekapcsolására

4.11. ábra Mini polariszkóp mérőfejének szűrőrendszere a szűrőket forgató fogaskerék hajtással

32

4.12. ábra Mini polariszkóp összeszerelt szűrőháza, a szűrők forgatásához alkalmazott forgatórúddal, valamint a szűrők helyzeteinek visszajelzését továbbító elektromos csatlakozóval

A mini polariszkóp szűrőháza mögött található a száloptikákat rögzítő tömb, amely egyben tartalmazza a fény-továbbítás fókuszálásához szükséges, valamint a kép élesre állítására szolgáló optikai lencserendszer elemeket is. A képtovábbító köteg tárgy felöli oldalán alkalmazott lencserendszer 0,5mm-es légréssel csatlakozik a köteg végéhez. Az élesre állítás az itt alkalmazott összetett (három rétegű), ragasztott, színre kompenzált speciális lencserendszer alkalmazásával gyakorlatilag 30 mm-es tárgytávolságtól a végtelenig biztosított. A száloptikákat rögzítő tömböt (alkatrészrajza a 4.7. ábrán látható) a száloptika tárgy felöli végeihez illesztett lencse rendszerével a 4.13. ábrán láthatjuk.

4.13. ábra Száloptika fegyverzeteket rögzítő tömb, a száloptika végekhez illesztett lencserendszerrel

33

A mini polariszkóp szerelt részegységeit ( szűrőház, száloptika végek befoglaló tömbje) a burkoló elemekkel (külső gyűrű, hátsó tokozat) a 4.14. ábra szemlélteti, míg a teljesen összeszerelt polariszkóp mérőfej a hozzá csatlakozó száloptika kötegekkel, valamint távvezérlő és jel továbbító vezetékekkel a 4.15. ábrán látható.

4.14. ábra Mini polariszkóp szerelt részegységei

4.15. ábra Összeszerelt mini polriszkóp mérőfeje

34

5. Száloptikás mini polariszkóp hibaanalízise A száloptikával ellátott, videó rendszerhez illesztett mini polariszkóp által mért mérési adatokat, mint több egységből álló mérőrendszer által szolgáltatott eredményt tekinthetjük a hibaanalízis tárgyának. Ebben az értelmezésben a vizsgált tárgy felszínén elhelyezett rétegbevonat által szolgáltatott jel (nyúlásmező) a mérőrendszer egyes elemein áthaladva optikai kép formájában látható a megjelenítő képernyőn. A mérőlánc végpontján megjelenő jel tehát tartalmazza mindazokat a hibahatásokat, amelyek a vizsgált tárgyra elhelyezett mérő (vizsgáló) réteg és a rendszer egyes elemeinek kölcsönhatásából erednek, egészen a megjelenítő képernyő saját hibaforrásáig. A hibahatásokkal kapcsolatos vizsgálódások az alábbi főbb csoportokra oszthatók: -

vizsgáló bevonat – vizsgált tárgy anyagjellemzőinek kölcsönhatása, vizsgáló bevonat – vizsgált tárgy szerkezeti vastagságainak egymásra hatása (a rétegbevonat merevítő hatása), a vizsgált feladat sík, vagy attól eltérő (pl. görbült felszín) jellege, a mérőfej fénymenete merőlegestől eltérő voltának a kiértékelésre gyakorolt hatása (összefüggésben az előző felsorolási ponttal), a rendszerbe beépített optikai elemek torzító hatásai, a mérőrendszerben található lencsék (és rendszerek) torzító hatásai, a mérőrendszer elektronikus egységeinek a megjelenített eredményre gyakorolt torzító hatásai.

Mint az itt bemutatott felsorolásból kitűnik, a rendszernek számos olyan eleme van, amelynek hiba analízisét önmagában nem célszerű vizsgálni, hiszen a rendszer által szolgáltatott mérési jel, mint végeredmény, számos konkrét mérési tényező, egy adott körülmény (pl. beállítás), vagy éppen megvalósított méréstechnikai adottság (pl. a vizsgálat tárgyát képző alapanyag/rétegbevonati anyag rugalmassági modulusának viszonyai, vastagsági méretei és azok arányai) kölcsönhatásának eredményeként értékelendő. Jelen kutatás nem érintette – már csak a jelentős tudományterületi eltérések okán sem – a mérőrendszer valamennyi elemének, különösen a rendszer elektronikus egységeinek (a kép felvételében, annak megjelenítésében szerepet kapó videó és képalkotó rendszer-elemek) a mérhető hiba alakulására gyakorolt hatásának elemzését. Jelen vizsgálódás ezen elemek hatását olyan adottságnak tekinti, (pl. az alkalmazott videó kamera és megjelenítő monitor felbontási adatai) amelyek meglétét tudomásul veszi, azonban részletes hatásvizsgálata kívül esik a dolgozat célkitűzésén. Fentiek előre bocsátásával az alábbi kérdések vizsgálata kerül részletes bemutatásra, nevezetesen: -

lencserendszer elemi torzító hatásának vizsgálata (nem érintve az elektronikus egységek lencse rendszereinek torzítási kérdéseit), 35

-

a rétegbevonat merevítő hatásának elemzése meghatározott geometriai és anyagjellemző arányok esetén,

-

a mini polariszkóp fej beállítása mérési hibára gyakorolt hatásainak elemzése, (ferde megvilágítás) figyelemmel a vizsgált szerkezet valamint az alkalmazott vizsgáló réteg egyes paramétereinek (rugalmassági modulusok, anyagvastagságok aránya) kölcsönhatására.

5.1. Lencserendszer elemeink torzító hatása 5.1.1. A torzító hatások összetevői és mérési lehetőségei A lencsék által leggyakrabban megvalósított leképezési hibákat röviden úgy jellemezhetjük, hogy amíg a lencse által leképzett felület közepén a kép torzításmentes, addig a kép szélei felé kifelé haladva különböző jellegű eltérések (torzulások) mutatkoznak a leképzett képpont geometriájában.

A torzulások az alábbi csoportokba oszthatók [41] alapján: - koma (csóva képződés) - párnatorzítás és hordósodás - asztigmatizmus (élek elmosódása) - (a videó rendszer leképezési hibája, melyek 5. pontban rögzítettek szerint nem képezik jelen vizsgálat tárgyát) Az említett három geometriai torzulási hatás mellett számolni lehet a képmező szélein kifelé haladva a színtorzulás megjelenésével is. Tekintettel a rendszerben alkalmazott színre kompenzált lencsék alkalmazására, valamint arra a tényre, hogy a száloptikák hosszmérete és csillapítása a színtorzulás tényét merőleges fénymentnél nem valószínűsítette, ennek a hatásnak a fellépésére a ferde megvilágítások esetén lehet számolni [42]. Ezek az eltérések viszonylag egyszerű eszközökkel kimutathatók és számszerűsíthetők. Az egyszerű vizsgálati módozatok között találjuk a Moire eljárás hatása alapján vizsgáló rácsok torzulásának hatáselemzését [43]. Hivatkozott irodalom útmutatásai alapján elkészített különféle rácsállandójú (0,2 mm-től több fokozatban az 5 mm-es rácsméretig) 50%-os vizsgálórácsokat készítettem. A kapott mérési eredmények azonban – elsősorban a rendszer utolsó elemét képező megjelenítő képernyő gyenge felbontására (0,48 mm RGB ponttávolság) tekintettel nem vezettek értékelhető eredményekhez. (A negatív eredmények bemutatásától – bár tanulságosak - eltekintettem.) A torzulások mértékének megállapításához előbb [41], és [43]-ben találtam egyszerűen megvalósítható vizsgálati eljárást, különböző mintarács torzulások elméleti alakkal történő összehasonlítása formájában. A vizsgálatokhoz alapvetően kétféle rácsrendszert alkalmaztam, [41] szerint, az alábbi elnevezésekkel: -

céltábla (minta)rács sakktábla (minta)rács

36

A mintarácsok elméleti alakjait az 5.1.(céltábla), valamint 5.2. ábrák (sakktábla) mutatják (az ábrák negatív képpé alakított felvételek). A mintarácsok torzulás-vizsgálatát két különböző alapbeállításra, mint vizsgálati feltételre valósítottam meg. Az első esetben a mini polariszkóp mérőfejének homloksíkjára merőlegesen, attól meghatározott geometriai távolságban felállított sík vizsgáló ernyőre ragasztott mintarács leképzési viselkedését vizsgáltam, majd (ugyanezen távolsági beállításnál) a sík vizsgáló felületet szemből nézve bal, és jobb irányban adott szög értékkel elforgatva megismételtem a torzulások alakulásának vizsgálatát, az 5.3. ábrának megfelelően. A vizsgáló ernyő jobb, és bal irányú forgatásának külön vizsgálati esetként történő kezelését az a tény indokolta, miszerint a megvilágító fényköteg nem a polariszkóp elméleti szimmetria (optikai) tengelyében helyezkedik el. Ennek eredményeként más-más leképzési hibához jutunk az 5.3. ábrán jelölt "a" és "b" irányú (jobb és bal irányú) elforgatások esetén.

ϕ0

r

ϕ12

5.1. ábra Céltábla mintarács elméleti alakja, 80 mm külső átmérő, ∆r = 5mm-es lépcsőkkel. A mintarács vízszintes tengelyének értelmezése a φ0 - φ12 koordináta

37

y

0

x

5.2. ábra Sakktábla mintarács elméleti alakja, 80 mm x 80 mm befoglaló mérettel dsr=10 mm rácspont osztás, dsp=2 mm rácspont mérettel. A rács középpontja az xy koordináta tengely 0 (kiinduló) pontja

5.3. ábra Mérés-összeállítás sík vizsgálófelületen elhelyezett mintarács alaktorzulásainak meghatározására

Az alaktorzulások hatásainak elemzését görbült vizsgálati felszín esetén is elvégeztem. Hasonlóan a sík vizsgáló felszínen elhelyezett mintarácsoknál bemutatottakhoz, a görbült felszín torzulásának elemzésére is a felszín közepéhez viszonyított merőleges, valamint jobb és bal irányban azonos szögekkel elforgatott mérőállásokat alkalmaztam. A görbült felszín vizsgálatára alkalmazott mérés-összeállítás elvi vázlatát az 5.4. ábra mutatja.

38

5.4. ábra Mérés-összeállítás elvi elrendezési vázlata görbült vizsgálófelületen elhelyezett mintarács alaktorzulásainak meghatározására

Mindezek után az 5.5. ábrán látható a torzulásvizsgálatok esetén megvalósított mérésösszeállítás tényleges kivitele.

5.5. ábra Torzulásvizsgálatoknál alkalmazott mérés-összeállítás tényleges kivitele

39

A mérőfej, valamint a vizsgálati ernyő szöghelyzeteinek változtatására, a beállított helyzet mérésére szolgáló egyszerű szerkezetet az 5.6. ábra mutatja.

5.6. ábra Torzulásvizsgálatoknál a szöghelyzetek beállítására szolgáló egyszerű mechanizmusok

5.1.2. Torzulás-vizsgálatok sík vizsgáló felszínen A következőkben a sík vizsgáló felszínen elvégzett vizsgálatokat mutatom be. Elsőként a céltábla vizsgálófelület, (a. pont alatt), majd a sakktábla felület mérési eredményeit (b. pont alatt) láthatjuk. Mindkét esetben háromféle beállítást alkalmaztam, az 5.1.1.-ben leírtaknak megfelelően, nevezetesen: - a vizsgált felszínre merőleges mérőfej (homloksík) (5.3. ábra, "m" állás), - merőlegestől 25º-ban balra elforgatott helyzet (5.3. ábra, "a" állás), - merőlegestől 25º-ban jobbra elforgatott helyzet (5.3. ábra, "b" állás).

a. Céltábla felületen lefolytatott vizsgálatok és azok eredményei a.1. Torzítás mérése, céltábla mintarács alkalmazásával “m” állás Mintarács beállítása merőleges a mini polariszkóp megvilágító, illetve képtovábbító kötegei által meghatározott homlok felületének síkjára. A mintarács szimmetria tengelyének középpontja megegyezik a mini polariszkóp mérőfejének szimmetria tengely (optikai tengely) középpontjával. A képernyőn megjelenő rácspont koordinátákat lemérve, az elméleti ráccsal fedésbe hozva meghatározható a rádiuszok torzulása (5.7. ábra). Az ábra egyes színes pontjai a ténylegesen mért adatokat mutatják. (A kiértékelésre alkalmazott program adottságainak okán a φ0 - φ12 tengely a mintarács vízszintes tengelye.) Az r1 az 5 mm–es, a legkisebb rádiusz értéket jelöli.

40

ϕ0 ϕ22

ϕ23

ϕ1

45 40

ϕ2

35

ϕ21

ϕ3

30 25

ϕ20

ϕ4

20 15 10

ϕ19

ϕ5

5 0

ϕ18

ϕ6

ϕ17

ϕ7

ϕ16

ϕ8 ϕ15

ϕ9 ϕ14

ϕ13

ϕ11

ϕ12

ϕ10

Mért r1

Mért r2

Mért r3

Mért r5

Mért r6

Mért r7

Mért r4

5.7. ábra A radiális torzítás alakulása a céltábla mintarács rádiuszai által definiált kerületek mentén merőleges mérőfej állásban

A mért adatok ismeretében meghatározható a radiális torzulás mértékének alakulása a mintarács egyes szöghelyzetekkel definiált rádiuszai mentén, melyet az 5.8. ábra szemléltet. A diagram függőleges tengelyén az elméleti rádiusz mérettől való eltérés látható.

0 2 1.5

10

20

30

40

[mm]

ϕ0

50

ϕ1 ϕ2 ϕ3 ϕ4

1

ϕ5

0.5

ϕ7

ϕ6 ϕ8

0

[mm]

-0.5 -1

ϕ9 ϕ10 ϕ11 ϕ12

5.8. ábra A radiális torzítás mértékének alakulása a mintarács (r1 = 5 mm – től kiindulva) rádiuszai mentén

41

Ezt követően nyílt lehetőség a céltábla egyes sugarai mentén a sugár eltérések és a szöghelyzet eltérések összerajzolt, együttes hatását szemléltető, összesített hiba néven elnevezett torzulás (5.9. ábra) bemutatására.

-45

-35

-25

-15

45

45

35

35

25

25

15

15

5

5

-5 -5

5

15

25

35

45

-45

-35

-25

-15

-5 -5

-15

-15

-25

-25

-35

-35

-45

-45

Elméleti r7

Mért r7

5

Elméleti r6

15

25

35

45

Mért r6

5.9./1 ábra Sugár és szöghelyzet eltérések együttes hatása a r7 és r6 rádiuszok mentén

45

45

35

35

25

25

15

15

5 -45

-35

-25

-15

-5 -5

5 5

15

25

-15

35

45

-45

-35

-25

-15

-5 -5

5

15

25

35

45

-15

-25

-25

-35

-35

-45

-45 Elméleti r5

Mért r5

Elméleti r4

Mért r4

5.9./2 ábra Sugár és szöghelyzet eltérések együttes hatása a r5 és r4 rádiuszok mentén

42

-45

-35

-25

-15

45

45

35

35

25

25

15

15

5

5

-5 -5

5

15

25

-15

45

-45

-35

-25

-15

-5 -5

5

15

25

35

45

-15

-25

-25

-35

-35

-45 Elméleti r3

35

-45 Mért r3

Elméleti r2

Mért r2

5.9./3 ábra Sugár és szöghelyzet eltérések együttes hatása az r3, és r2 rádiuszok mentén

A méréseredmények kiértékelése az 5.10. ábrán bemutatott eloszlás alapján történt, annak felnagyított változatán (képernyőről készített negatív felvétel). A nagyítás mértékéül választott ötszörös méretarány lehetővé tette a változó vonalvastagságok bizonytalanságának – azok középértékének könnyebb megkereshetősége okán – lehetőségek szerinti csökkentését.

5.10. ábra Az "m" állás mérési eredményeinek kiértékeléséül szolgáló eloszlás (a kép negatívja az eredetinek)

43

a.2. Torzítás mérése, céltábla mintarács alkalmazásával “a” állás, merőlegestől 25º-ban balra elforgatott helyzet A merőleges állásnál bemutatottakkal megegyezően, elsőként a torzulás mértékét az egyes rádiuszok által meghatározott kerületek mentén láthatjuk az 5.11. ábrán. ϕ0 ϕ22

ϕ23

45 40

ϕ1

ϕ2

35

ϕ21

ϕ3

30 25

ϕ20

ϕ4

20 15 10

ϕ19

ϕ5

5 0

ϕ18

ϕ6

ϕ17

ϕ7

ϕ16

ϕ8 ϕ15

ϕ9 ϕ14

ϕ13

ϕ12

ϕ11

ϕ10

Mért r1

Mért r2

Mért r3

Mért r5

Mért r6

Mért r7

Mért r4

5.11. ábra A radiális torzítás alakulása a céltábla mintarács rádiuszai által definiált kerületek mentén, “a” elforgatás

A mért adatok ismeretében meghatározható a radiális torzulás mértékének alakulás a mintarács egyes rádiuszai mentén, melyet az 5.12. ábra mutat.

44

ϕ0

[mm] 0

10

20

30

40

ϕ1

50

1.5

ϕ2

1

ϕ3 ϕ4

0.5

ϕ5

0

ϕ6

-0.5

ϕ7 ϕ8

[mm]

-1

ϕ9

-1.5

ϕ10

-2

ϕ11

-2.5

ϕ12

5.12. ábra A radiális torzítás mértékének alakulása a mintarács rádiuszai mentén, “a” elforgatás

Ezt követően a céltábla egyes sugarai mentén a sugár eltérésekből és a szöghelyzet eltérésekből összerajzolt, azok együttes hatását szemléltető, összesített hiba néven bemutatott torzulást az 5.13. ábra mutatja.

-45

-35

-25

-15

45

45

35

35

25

25

15

15

5

5

-5 -5

5

15

25

35

45

-45

-35

-25

-15

-5 -5

-15

-15

-25

-25

-35

-35

-45

-45

Elméleti r7

Mért r7

Elméleti r6

5

15

25

35

45

Mért r6

5.13./1 ábra Sugár és szöghelyzet eltérések együttes hatása a r7 és r6 rádiuszok mentén

45

-45

-35

-25

-15

45

45

35

35

25

25

15

15

5

5

-5 -5

5

15

25

35

45

-45

-35

-25

-15

-5 -5

-15

-15

-25

-25

-35

-35

-45

-45

Elméleti r5

Mért r5

5

Elméleti r4

15

25

35

45

Mért r4

5.13./2. ábra Sugár és szöghelyzet eltérések együttes hatása a r5 és r4 rádiuszok mentén

-45

-35

-25

-15

45

45

35

35

25

25

15

15

5

5

-5 -5

5

15

25

35

45

-45

-35

-25

-15

-5 -5

-15

-15

-25

-25

-35

-35

-45 Elméleti r3

5

15

25

35

45

-45 Mért r3

Elméleti r2

Mért r2

5.13./3. ábra Sugár és szöghelyzet eltérések együttes hatása az r3, és r2 rádiuszok mentén

46

a.3. Torzítás mérése, céltábla mintarács alkalmazásával “b” állás, merőlegestől 25º-ban jobbra elforgatott helyzet A merőleges állásnál, valamint az a szöghelyzetnél bemutatottakkal megegyezően, elsőként a torzulás mértékét a rádiuszok által meghatározott kerületek mentén mutatom be az 5.14. ábrán.

ϕ22

ϕ23

40

ϕ0 ϕ1

35

ϕ2

30

ϕ21

ϕ3

25

ϕ20

ϕ4

20 15

ϕ19

ϕ5

10 5

ϕ18

ϕ6

0

ϕ17

ϕ7

ϕ16

ϕ8 ϕ15

ϕ9 ϕ14

ϕ13

ϕ12

ϕ11

ϕ10

Mért r1

Mért r2

Mért r3

Mért r5

Mért r6

Mért r7

Mért r4

5.14. ábra A radiális torzítás alakulása a céltábla mintarács rádiuszai által definiált kerületek mentén, “b” elforgatás

A mért adatok ismeretében meghatározható a radiális torzulás mértékének alakulása a mintarács egyes rádiuszai mentén, melyet az 5.15. ábrán láthatunk.

47

0

10

20

30

[m m ]

ϕ0

50

ϕ1

40

0.5

ϕ2

0

ϕ3

-0.5

ϕ4

-1

ϕ5

-1.5

ϕ6 ϕ7

-2

ϕ8

[mm]

-2.5

ϕ9

-3

ϕ10

-3.5

ϕ11

-4

ϕ12

5.15. ábra A radiális torzítás mértékének alakulása a mintarács rádiuszai mentén, “b” elforgatás

Ezt követően a céltábla egyes sugarai mentén a sugár eltérések és a szöghelyzet eltérések összerajzolt, együttes hatását szemléltető, összesített hiba néven bemutatott torzulást az 5.16. ábra mutatja.

-45

-35

-25

-15

45

45

35

35

25

25

15

15

5

5

-5 -5

5

15

25

35

45

-45

-35

-25

-15

-5 -5

-15

-15

-25

-25

-35

-35

-45

-45

Elméleti r7

Mért r7

Elméleti r6

5

15

25

35

45

Mért r6

5.16./1 ábra Sugár és szöghelyzet eltérések együttes hatása a r7 és r6 rádiuszok mentén

48

45

45

35

35

25

25

15

15

5 -45

-35

-25

-15

-5 -5

5 5

15

25

35

45

-45

-35

-25

-15

-15

-5 -5

5

15

25

35

45

-15

-25

-25

-35

-35

-45

-45

Elméleti r5

Mért r5

Elméleti r4

Mért r4

5.16./2. ábra Sugár és szöghelyzet eltérések együttes hatása a r5 és r4 rádiuszok mentén

-45

-35

-25

-15

45

45

35

35

25

25

15

15

5

5

-5 -5

5

15

25

35

45

-45

-35

-25

-15

-5 -5

-15

-15

-25

-25

-35

-35

-45

-45

Elméleti r3

Mért r3

Elméleti r2

5

15

25

35

45

Mért r2

5.16./3. ábra Sugár és szöghelyzet eltérések együttes hatása az r3, és r2 rádiuszok mentén

49

b. Sakktábla felületen lefolytatott vizsgálatok és azok eredményei b.1. Torzítás mérése, sakktábla mintarács alkalmazásával “m” állás Mintarács beállítása megegyezik a céltábla rácsnál bemutatottakhoz. A sakktábla rács egyes pontjainak elméleti középhelyzeteit az 5.17. ábrán mm – ben feltüntettem. A "0" helyzetű rácspont a mérőháló középen található. A mért pontok helyzetét a sötét körök mutatják. 46 34.5 23

[mm]

11.5 0 -46

-34.5

-23

-11.5

0

11.5

23

34.5

46

-11.5 -23 -34.5 -46 [mm]

5.17. ábra Sakktábla mintarács mérőpontjainak helyzetei "m" állásban

b.2. Torzítás mérése, sakktábla mintarács alkalmazásával “a” állás 46 34.5 23

[mm]

11.5

-57.5

-46

-34.5

-23

0 -11.5 0 -11.5

11.5

23

34.5

46

57.5

-23 -34.5 -46 [mm]

5.18. ábra Sakktábla mintarács mérőpontjainak helyzetei "a" állásban

50

b.3. Torzítás mérése, sakktábla mintarács alkalmazásával “b” állás 46 34.5 23

[mm]

11.5

-57.5

-46

-34.5

-23

0 -11.5 0 -11.5

11.5

23

34.5

46

57.5

-23 -34.5 -46 [mm]

5.19. ábra Sakktábla mintarács mérőpontjainak helyzetei "b" állásban

A pontok vándorlását a különböző szélső helyzetek között az egyes - a vízszintes szimmetria tengelyre vonatkoztatott - magassági szinteken az 5.20. ábra szemlélteti. Ez az ábra mutatja be, milyen utat (pályát) jár be a vizsgált pont, miközben a két szélső elforgatási helyzet között (a-tól b-ig) vándorol. 2.5 2 1.5

[mm]

1 0.5 0 -4

-2

-0.5 0 -1 -1.5

2

4

x3,y3,a x2,y3,a x1,y3,a x0,y3,a -x1,y3,a -x2,y3,a -x3,y3,a

-2 -2.5 [mm]

5.20. ábra Az y =3 (elméleti) magassági szinthez tartozó rácspontok vándorlása három különböző megvilágítási (torzítási) szöghelyzet esetén (“a”, ”m”,”b”)

51

A tisztánlátás segítése érdekében valamennyi képpont egyberajzolásától (5.20. ábra) eltekintettem, tekintettel arra a tényre, hogy ebben az esetben az egyes képpontok nyomon követése meglehetősen nehézkesen lenne megoldható. A jelenség bemutatását egy adott függőleges helyzetű, – nevezetesen az y3 (elméleti, azaz 34,5 mm) magasságban elhelyezkedő – pontsor koordinátáinak a három vizsgált szöghelyzethez tartozó vándorlásával kívántam érzékeltetni. Az 5.20. ábrán szereplő xy rácspont koordináták az origóhoz viszonyított pozíciókat jelentik Az 5.20. ábrában az “a” helyzethez tartozó (- 25 fok) képpontokat tüntettem fel – mint szélső helyzeteket – az egyes görbék jelölésének kezdőpontjainál, ezt követően minden egyes azonos jellel ábrázolt görbe a szóban forgó képpont helyzetét mutatja rendre merőleges (“m”), valamint + 25 fok szög-helyzetben (“b”). Kézenfekvő, hogy a szimmetria középponttól legtávolabb elhelyezkedő képpontok vándorlása a legnagyobb. Ugyanakkor szembetűnő, hogy a mintarács függőleges szimmetria tengelyéhez mérten alkalmazott azonos mértékű, de különböző előjelű elfordítás eredményeként megvalósuló képpont vándorlás nem mutat szimmetrikus elrendezést. Az eloszlás jellege hasonló, mértéke azonban – természetesen nem hagyható figyelmen kívül a rendkívül kicsiny, tized milliméteres mérési értékek esetén mutatkozó leolvasási hiba mértéke sem – különböző. Az eltérés a polariszkóp szimmetria (optikai) tengelyének, (amely egyébként megegyezett a mintarács szimmetria tengelyének pozíciójával), valamint a polariszkóp megvilágító fényforrása optikai tengelyének “x” irányú pozíció különbségével (az eltérés az “x” tengely mentén 11 mm) magyarázható.

5.1.3. Torzulás-vizsgálatok értékelése sík vizsgáló felszínen Az elvégzett vizsgálatok alapján az alábbi következtetések vonhatok le a sík felszín vizsgálatából:

-

merőleges állás " a képpontok a vízszintes tengely mentén megnyúlnak, (φ=0, illetve φ=12) míg a függőleges mentén (φ = 6, ill. φ = 18) rövidülnek (céltáblarács), " ez a jelenség a sakktábla rácson is, negatív hordósodás formájában 5.16. ábra) követhető, " a radiális torzulás aszszimetrikus (5.8. ábra), φ=0 helyzetben a legnagyobb, mintegy háromszorosa az azonos helyzetű φ=12 képponténak.

-

"a" szöghelyzet " a képpontok a vízszintes tengely mentén valamennyi pozícióban rövidülnek, és eltolódnak a megfigyelő (felvevő kamera) irányában, " a radiális torzulás mértéke a vízszintes tengely mentén gyakorlatilag szimmetrikussá változik (5.12. ábra),

52

" a sakktála rácson perspektivikus hatás követhető nyomon, a megfigyelőtől távolabbi képpontok kisebbednek, és a vízszintes szimmetria tengely felé közelednek (5.18. ábra), " az összetett hibánál nyomon követhető un. nulla hiba helyzete a függőleges tengelytől eltolódik a – 15...20 mm értékek felé (5.13./1. ábra).

-

"b" szöghelyzet " a képpontok a vízszintes tengely mentén jelentősen rövidülnek, a függőleges tengely mentén pedig gyakorlatilag változatlanok (5.16. ábra), " a radiális torzulás mértéke a vízszintes tengely mentén aszimmetrikus, φ=0 helyzetben meghaladja a 3 mm-t., míg φ=12 pozícióban 1,5 mm alatt marad (5.14. ábra), " a sakktála rácson az " a " helyzethez hasonló perspektivikus hatás követhető nyomon, a megfigyelőtől távolabbi képpontok kisebbednek, és a vízszintes szimmetria tengely felé közelednek (5.19. ábra), " az összetett hibánál nyomon követhető un. nulla hiba helyzete a függőleges tengelyen nyomon követhető valamennyi sugár mentén (pl. 5.16./1. ábra).

5.1.4. Torzulás-vizsgálatok görbült vizsgáló felszín esetén

A következőkben a görbült felszínen elvégzett vizsgálatokat mutatom be. Tekintettel arra a tényre, hogy a sakktábla rács eddigi vizsgálatából az un. csóva képződésre a mérőrács közepétől kifelé haladva távolabbi képpontok esetén hajlamot nem találtam, a későbbiekben sakktábla rács további vizsgálatától eltekintettem. A görbült felszínen elvégzett vizsgálatnál is háromféle beállítást alkalmaztam, az 5.1.1.ben leírtaknak megfelelően, nevezetesen: -

a vizsgált felszín elméleti közepére merőleges mérőfej (optikai tengely) állás (5.4. ábra, "mg" állás, ahol a "g" index a görbült felszínre utal) merőlegestől 25º-ban balra elforgatott helyzet (5.4. ábra, "ag" állás) merőlegestől 25º-ban jobbra elforgatott helyzet (5.4. ábra, "bg" állás)

A sík felszín vizsgálatánál leírtaknak megfelelően " a " pont alatt a céltáblarács egyes állásainak megfelelően, azaz rendre "mg" állás a.1., "ag" állás a.2., "bg" állás a.3. jelöléssel találhatjuk a vonatkozó beállításokhoz tartozó eredményeket. A görbült felszínű vizsgált céltárgy egy derékszögben, az 5.4. ábrán megadottak alapján hajlított 2,0 mm vastag alumínium lemez volt, melynek belső felszínére ragasztottam a sík felszínek vizsgálatánál korábban alkalmazott céltábla vizsgáló rácsot.

53

a. Céltábla felületen lefolytatott vizsgálatok eredményei görbült felszínen a.1. Céltáblarács vizsgálata, "mg" (merőleges) állás ϕ0 ϕ22

ϕ23

45 40

ϕ1

ϕ2

35

ϕ21

ϕ3

30 25

ϕ20

ϕ4

20 15 10

ϕ19

ϕ5

5 0

ϕ18

ϕ6

ϕ17

ϕ7

ϕ16

ϕ8 ϕ15

ϕ9 ϕ14

ϕ13

ϕ12

ϕ11

ϕ10

Mért r1

Mért r2

Mért r3

Mért r5

Mért r6

Mért r7

Mért r4

5.21. ábra A radiális torzítás alakulása a céltábla mintarács rádiuszai által definiált kerületek mentén, görbült felszín közepére merőleges állásban

A mért adatok ismeretében meghatározható a radiális torzulás mértékének alakulása a mintarács egyes rádiuszai mentén, melyet az 5.22. ábrán láthatunk.

54

0

10

20

30

[mm]

ϕ0

50

ϕ1

40

2.5

ϕ2

2

ϕ3

1.5

ϕ4

1

ϕ5

0.5

ϕ6

0

ϕ7

[mm]

-0.5 -1

ϕ8

-1.5

ϕ9

-2

ϕ10

-2.5

ϕ11

-3

ϕ12

5.22. ábra A radiális torzítás mértékének alakulása a céltábla mintarács rádiuszai mentén

Ezt követően a céltábla egyes sugarai mentén a sugár eltérések és a szöghelyzet eltérések összerajzolt, együttes hatását bemutató, összesített hiba néven nevesített torzulást az 5.23. ábra mutatja.

-45

-35

-25

-15

45

45

35

35

25

25

15

15

5

5

-5 -5

5

15

25

35

45

-45

-35

-25

-15

-5 -5

-15

-15

-25

-25

-35

-35

-45

-45

Elméleti r7

Mért r7

Elméleti r6

5

15

25

35

45

Mért r6

5.23./1 ábra Sugár és szöghelyzet eltérések együttes hatása a r7 és r6 rádiuszok mentén

55

-45

-35

-25

-15

45

45

35

35

25

25

15

15

5

5

-5 -5

5

15

25

35

45

-45

-35

-25

-15

-5 -5

-15

-15

-25

-25

-35

-35

-45

-45

Elméleti r5

Mért r5

5

Elméleti r4

15

25

35

45

35

45

Mért r4

5.23./2 ábra Sugár és szöghelyzet eltérések együttes hatása a r5 és r4 rádiuszok mentén

-45

-35

-25

-15

45

45

35

35

25

25

15

15

5

5

-5 -5

5

15

25

35

45

-45

-35

-25

-15

-5 -5

-15

-15

-25

-25

-35

-35

-45

-45

Elméleti r3

Mért r3

Elméleti r2

5

15

25

Mért r2

5.23./3 ábra Sugár, és szöghelyzet eltérések együttes hatása az r3, és r2 rádiuszok mentén

A görbült felszínre illesztett céltábla mintarács merőleges állásában készült torzult alakot szemléltető felvételt az 5.24. ábrán láthatjuk.

56

5.24. ábra Céltábla mintarács görbült felszínre illesztve, merőleges polariszkóp mérőfej helyzet (képernyőről készített felvétel)

57

a.2. Torzítás mérése, céltábla mintarács alkalmazásával “ag” állás, merőlegestől 25º-ban balra elforgatott helyzet, görbült felszín ϕ0 ϕ22

ϕ23

ϕ1

40 35

ϕ2

30

ϕ21

ϕ3

25

ϕ20

ϕ4

20 15

ϕ19

ϕ5

10 5

ϕ18

ϕ6

0

ϕ7

ϕ17 ϕ16

ϕ8 ϕ15

ϕ9 ϕ14

ϕ13

ϕ11

ϕ12

ϕ10

Mért r1

Mért r2

Mért r3

Mért r5

Mért r6

Mért r7

Mért r4

5.25. ábra A radiális torzítás alakulása a céltábla mintarács rádiuszai által definiált kerületek mentén, “ag” elforgatás

A mért adatok ismeretében meghatározható volt a radiális torzulás mértékének alakulása a céltábla mintarács egyes rádiuszai mentén, melyet az 5.26. ábra szemléltet.

[mm]

0

10

20

30

40

[mm]

ϕ0

50

ϕ1

1 0.5 0 -0.5 -1 -1.5 -2 -2.5 -3 -3.5 -4 -4.5 -5 -5.5 -6 -6.5 -7 -7.5 -8 -8.5 -9 -9.5 -10 -10.5

ϕ2 ϕ3 ϕ4 ϕ5 ϕ6 ϕ7 ϕ8 ϕ9 ϕ10 ϕ11 ϕ12

5.26. ábra A radiális torzítás mértékének alakulása a mintarács rádiuszai mentén, “ag” elforgatás

58

Ezt követően a céltábla mintarács egyes sugarai mentén a sugár eltérések és a szöghelyzet eltérések összerajzolt, együttes hatását szemléltető, összesített hiba néven bemutatott torzulást az 5.27. ábra mutatja. A hiba alakulásának bemutatásakor – annak jellegének szemléltetésére – elegendőnek ítéltem a legnagyobb átmérőn mért értékek bemutatását.

-45

-35

-25

-15

45

45

35

35

25

25

15

15

5

5

-5 -5

5

15

25

35

-45

45

-35

-25

-15

-5 -5

-15

-15

-25

-25

-35

-35

-45

5

15

25

35

45

-45

Elméleti r7

Mért r7

Elméleti r6

Mért r6

5.27. ábra Sugár és szöghelyzet eltérések együttes hatása a r7 és r6 rádiuszok mentén

a.3. Torzítás mérése, céltábla mintarács alkalmazásával “bg” állás, merőlegestől 25º-ban jobbra elforgatott helyzet, görbült felszín ϕ0 ϕ22

ϕ23

40

ϕ1

35

ϕ2

30

ϕ21

ϕ3

25

ϕ20

ϕ4

20 15

ϕ19

ϕ5

10 5

ϕ18

ϕ6

0

ϕ17

ϕ7

ϕ16

ϕ8 ϕ15

ϕ9 ϕ14

ϕ13

ϕ12

ϕ11

ϕ10

Mért r1

Mért r2

Mért r3

Mért r5

Mért r6

Mért r7

Mért r4

5.28. ábra A radiális torzítás alakulása a céltábla mintarács rádiuszai által definiált kerületek mentén, “bg” elforgatás

59

A mért adatok ismeretében meghatározható a radiális torzulás mértékének alakulása a mintarács egyes rádiuszai mentén, melyet az 5.29. ábra szemléltet. [mm] 0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

1 0.5

ϕ0 ϕ1 ϕ2 ϕ3 ϕ4 ϕ5 ϕ6 ϕ7 ϕ8 ϕ9 ϕ10 ϕ11 ϕ12

0 -0.5 -1 -1.5 -2 -2.5 -3 -3.5 -4 -4.5 -5 -5.5 -6 -6.5 -7 -7.5 -8 -8.5

[mm]

-9 -9.5 -10 -10.5

5.29. ábra A radiális torzítás mértékének alakulása a mintarács rádiuszai mentén, “bg” állás (elforgatás)

Ezt követően a céltábla egyes sugarai mentén a sugár eltérések és a szöghelyzet eltérések összerajzolt, együttes hatását szemléltető, összesített hiba néven bemutatott torzulást az 5.30. ábra mutatja, itt is megelégedve a legnagyobb átmérőn mért értékek bemutatásával.

-45

-35

-25

-15

45

45

35

35

25

25

15

15

5

5

-5 -5

5

15

25

35

45

-45

-35

-25

-15

-5 -5

-15

-15

-25

-25

-35

-35

-45

-45

Elméleti r7

Mért r7

Elméleti r6

5

15

25

35

45

Mért r6

5.30. ábra Sugár és szöghelyzet eltérések együttes hatása a r7 és r6 rádiuszok mentén

60

Ebből a sorozatból a torzult felszín tényleges alakjáról készített felvételt az 5.31. ábra. mutatja. Figyelemre méltó az igen extrém torzulás ellenére (jobboldali felülettel közel párhuzamos képtovábbító fénymenet) is jól kivehető jobboldali képernyő terület.

5. 31. ábra Céltábla mintarács görbült felszínre illesztve, “bg” elforgatási helyzet

61

5.1.5. Torzulás-vizsgálatok értékelése görbült vizsgáló felszínen Az elvégzett vizsgálatok alapján megállapítható, hogy a leképzett tárgy topográfiájának torzulása még szélsőséges körülmények között is jóval kisebb, mint azt szubjektív érzés alapján gondolhatnánk. A görbült felszínen végrehajtott vizsgálatokból az alábbi következtetések vonhatók le, az egyes beállításokat külön értékelve:

- "mg" állás (merőleges) " a képpontok a vízszintes tengely mentén rövidülnek, (φ=0, illetve φ=12) míg a függőleges mentén (φ = 6, ill. φ = 18) változatlanok. A 45º irányultságú tengelyeken (φ = 3 illetve φ = 9) jelentősen megnyúlnak (5.21. ábra), " a radiális torzulás a megvilágító köteg felöli oldalon kisebb (5.22. ábra), φ = 12 helyzetben a legnagyobb. - "ag" állás " a polariszkóp tengelye ebben az állásban 15º-ot zár be a hozzá közelebb eső vizsgált felülettel (szinte felülettel párhuzamos megvilágítás). Ennek ellenére a radiális torzulás mértéke a legkülső átmérőn nem éri el a 10 mm értéket, " az összetett hibánál említésre érdemes, hogy a majdnem merőlegesen bevilágított felszínen a hiba a legkülső átmérőn is a nulla közelében marad, a képtovábbító köteg felöli oldalon (5.27. ábra). - "bg" állás " a legnagyobb radiális torzulás mértéke – hasonlóan az "a" szöghelyzethez - nem éri el a 10 mm értéket (5.29. ábra), " a közel merőlegesen bevilágított, fényvezető köteg felöli oldalon a hiba a külső átmérőn is zérus közelében marad (5.29. ábra).

5.1.6. Torzulási vizsgálat rétegbevonattal ellátott görbült felszín esetén

Az erősen görbült felszínen elhelyezett vizsgálóréteg által mért feszültségoptikai képek értékelésével kapcsolatos tisztánlátás érdekében az 5.4. ábra méréselrendezésének és a vizsgálófelület geometriai alakjának megfelelően rétegbevonatos feszültségoptikai vizsgálatot végeztem erre a célra készített próbatesten. A próbatest szálvázas műanyag (paplan erősítésű) kompozit szerkezet volt, amelynek belső felszínére feszültségoptikai vizsgálóréteget helyeztem el, amely mérés-összeállítás modelljét az 5.32. ábra mutatja. A vizsgálatot az 5.4. ábra méréselrendezésénél bemutatott “mg” (merőleges) állásában végeztem, a görbült lemez két végfelületén bevezetett húzó (szétnyitó) erő alkalmazásával. (Az 5.32. ábrán "a" mennyiséggel - a tartó nyílásköze - jelölt irány a kiértékelés a "x" iránya. A vizsgálat iránya a "b" mennyiséggel jelzett iránnyal párhuzamos) A próbatest közepén, a rádiusz szimmetria tengelyében ehhez a vizsgálathoz 20 x 20 mm méretű, állított elrendezésű, 5 mm sarok-lekerekítési sugárral készült nyílást készítettem, a sarkok környezetében ébredő hatások vizsgálata érdekében.

62

h

t

5.32. ábra Görbült felszínű próbatest terhelési modellje és geometriai adatainak jelölése

A terhelés hatására kialakult összerajzolt rendszám eloszlást az 5.33.ábra szemlélteti. Az ábrán az egyes görbéken feltüntetett számok színsáv rendszám értékek.

5.33.ábra Rendszámeloszlás négyszögfurattal ellátott, 5.32. ábra szerint kialakított és terhelt próbatestén

63

Az 5.33. ábrán a koordináta tengelyeken [mm] mértékegység szerepel. A függőleges, y koordinátán a 0 (nulla) szintmagasságból indulva az egyes magassági értékekhez tartozóan (rendre 10, 20, 30, 40 mm szintmagasságokban) a rendszámeloszlás vízszintes tengely menti lefutását az 5.34. ábra mutatja.

2.5

színsáv rendszám (m)

2

1.5

1

0.5

0 -40

-20

0

20

40

60

x, [mm]

y=10 mm

y=20 mm

y=30 mm

y=40 mm

5.34. ábra A színsáv rendszám eloszlás az egyes szintmagasságokban

A kiértékelt eloszlások nem mutattak extrém torzulásokat, annak ellenére, hogy mind a beeső, mind a vizsgáló fénymenet 45 º szöghelyzet környezetében érte, illetve hagyta el a vizsgálóréteggel ellátott felszínt.

64

6. Vizsgálóréteg merevítő hatásából adódó kiértékelési hiba részletes elemzése, valamint a ferde átvilágítás tényének figyelembevétele Az optikai feszültségvizsgálat mérési hibáját számos cikk, elemzés vizsgálta részletesen, elemezve a mérőrendszer egyes elemei által okozott hibák rendszerét, azok mértékét. [2], [44]. Hasonlóképpen az optikai feszültségvizsgálat rétegbevonatos mérési eljárásának hibaanalízisét, vagy azt érintő kérdéseket meglehetős részletességgel megtalálhatjuk az irodalomban [34], [45], [46]. A hivatkozott cikkek részletesen vizsgálják a mérőrendszer egyes elemeit, nevezetesen az alkalmazott vizsgálóréteg speciális tulajdonságaiból (merevítő hatás, különös tekintettel azokra az esetekre, mikor is a vizsgált alkatrész rugalmassági modulusa vagy vastagsági mérete hasonló nagyságrendbe esik a vizsgálóréteg vonatkozó jellemzőivel) adódó hatásokat, a nem pontosan merőleges fénymenetek keltette hibaforrásokat, a vizsgálóréteg által terheletlen szabad peremeken mért, és az itt elméletileg fennálló feszültségállapot különbségeit. Esetünkben a mérés összeállítás – az elektronikus képfelvevő és megjelenítő egységek kivételével – elemeinek hatását próbáltam meg figyelembe venni, a rétegbevonat által okozott egyes hibaforrásokból kiindulva, figyelemmel a vizsgált kép továbbítására szolgáló képtovábbító köteg egyes kérdéseire (3. fejezet), a rendszerben található optikai leképző elemek által keltett hibaforrások (5. fejezet) hatásaira. Nem volt feladata a vizsgálatnak a képalkotásban szerepet kapott elektronikus eszközök egyes hibaforrásainak vizsgálata, nevezetesen a kép rögzítésére és továbbítására szolgáló CCD videokamera, valamint az optikai kép megjelenítésére szolgáló monitor egyes hibaforrásainak elemzése. Ebben a fejezetben a rétegbevonat vastagságának és rugalmassági modulusának mérési eredményekre gyakorolt hatásának egyes kérdéseit kívántam bemutatni. Célkitűzésként szerepelt a hasonló rugalmassági modulusú erősített műanyagokon való alkalmazás területeinek szélesítése. A mérési eredmények értékelése során vizsgáltam a bevonat merevítő hatását, elemeztem a ferde megvilágítás hatását figyelemmel a fénynyaláb sugármenete által megtett, a merőlegeshez viszonyított útkülönbségre, tekintettel a vizsgált pont feszültségi, illetve alakváltozási állapotára. Vizsgálataim során az egyik oldalán (külső vagy belső) vizsgáló bevonattal ellátott, nyomatékkal és a vizsgált keresztmetszetre ható normál erővel terhelt lemez-réteg együttes mért és elméletileg számított nyúlás - és feszültségviszonyainak elemzésén keresztül az egyes szóba jöhető hatásokat kívántam számba venni.

65

6.1. A vizsgáló bevonat merevítő hatásának elméleti vizsgálata A rétegbevonat merevítő hatását egy nyomatékkal és normál erővel terhelt keresztmetszet külső, majd belső oldalára felragasztott bevonati anyag – szerkezeti anyag együttes viselkedésének elemzésével vizsgáltam. A vizsgált felszín külső oldalára ragasztott vizsgálóréteg esetén a mechanikai modellt a 6.1. ábra mutatja.

6.1. ábra Vizsgált felszín (lemez) mechanikai modellje, a lemez külső felszínére ragasztott vizsgálóréteg esetén

σ h b h a h   σ y = helyen ε r = R =  + y0   + y0  = L = 2 ER ER  2   EL EL  2 és

(6.1)

b a b E = , illetve = R ER EL a EL

A vizsgált keresztmetszetet terhelő külső erők (normálerő N, és hajlító nyomaték Mh) hatását az alábbiak alapján vehetjük figyelembe: +

h 2

N = a ∫ (y + y 0 )dy + b −

h 2

h + +b 2

∫

+

h 2

h +  2 2   E y (y + y 0 )dy = a  + yy 0  + R −h E L  2 2 

h + +t   2   y2  + yy 0  =  + h   2 (6.2) 2 

  E  t (h + t ) E h + t   = a y 0 h + R  + y 0 t  = a  y 0 h + R t  + y 0  EL  2 EL  2     A keresztmetszetet terhelő nyomatékot a következők szerint határozhatjuk meg:

66

h + +t  h2  Er 2  2 2 ( y + y 0 ) dy  = Ny 0 + M h = a  ∫ ( y + y 0 ) dy + ∫ EL h − h  + 2  2  h h + + +t   3 3 2 2     E y y = a  + y 2 y 0 + yy 02  + R  + y 2 y 0 + yy 02   3 −h EL  3  + h   2  2  h3  E  h 2 ht t 2 a  + hy 02 + R t  + + + (h + t ) y 0 + y 02  EL  4 2 3   12

(6.3)

A fenti két összefüggés egymásból kivonásával, ill. átrendezésével a hajlító nyomatékra az alábbi összefüggést nyerjük:

 h 3 E  h 2 ht t 2 h + t  M h = a + R t + + + y 0  2 3 2   12 E L  4

(6.4)

A nyomatékra kapott összefüggés, valamint a keresztmetszetet terhelő normálerő hányadosából nyerjük:  h 3 E R  h 2 ht t 2 h + t + + + +y0   + + 2 3 2 M h 12 E L t  4  = E  h + +t N  y 0 h R t + y0  EL  2 

(6.5)

Továbbrendezve, y0-ra kifejezés érdekében nyerjük: ER  ER h + t  Mh   t t +  y 0 h + + = 2  EL  EL N   E h + t h 3 E R  h 2 ht t 2  t + +  = y0 R t + + EL 2 12 E L  4 2 3

(6.6)

Innen y0-ra kifejezve: h 3 E R  h 2 ht t 3  M h h + t t + +  − t + 12 E L  4 2 3 N 2 y0 = Mh  ER  ER h + t t − t h + N  EL  EL 2

(6.7)

Hasonló gondolatmenetet követve kapjuk a vizsgálóréteg merevítő hatása által okozott kiértékelési hiba alapösszefüggéseit a vizsgált szerkezet (pl. lemez) belső oldalára felragasztott rétegbevonat esetén:

67

6.2. ábra Vizsgált felszín (lemez) mechanikai modellje, a lemez belső felszínére ragasztott vizsgálóréteg esetén

σ h b  h a  h   σ y = − helyen ε r = R =  − − y0   − − y0  = L = 2 ER ER  2   EL EL  2 ahonnan

(6.8)

b a b E = , illetve = R ER EL a EL

Mint látható, lényegében a semleges szál szimmetria tengelyre viszonyított, az előzőekben bemutatott esethez képest szimmetrikus elhelyezkedésének köszönhetően részben előjelbeli különbségekkel kell számolnunk, az alábbiak szerint: A szerkezetet terhelő normál (N) erő:

h 2

h 2

h h + −  2  2 2 2     E y y R  =  N = a ∫ (y − y 0 )dy + b ∫ (y − y 0 )dy = a  − yy 0  + − yy 0   h h 2 E 2 h h L   −  − − t  − − −t  2 2  (6.9)  2 2

+

−

   E  t (h + t ) E  th + t 2  + y 0 t  = a  − y 0 h + R − + y 0 t  = a  − y 0 h + R t − EL  2 EL  2     Az így kapott összefüggés további átrendezését követően kapjuk:    E h+t E  E h + t  N = a − y 0 h + R t  − y 0 ` = a − y 0  h + R t  + R t  EL  2 EL  EL 2     

(6.10)

A keresztmetszetet terhelő nyomaték meghatározásához az alábbi összevonást végezzük el:

68

h −  h2  Er 2  2 2 ( y − y 0 ) dy  = − Ny 0 + M h = a  ∫ ( y − y 0 ) dy + ∫ EL h − h  − −t 2  2  h +h −  3  2 2 ER y 3 y 2 2 2 2  = =a − y y 0 + yy 0 + − y y 0 + yy 0  3 h h  EL 3 − − −t  2 2   3 2 2 h  E h ht t = a  + hy 02 + R t  + + − y 0 (h + t ) + y 02  EL  4 2 3   12

(6.11)

Az átrendezést követően a keresztmetszetet terhelő nyomatékra kapott összefüggés:  h3 E M h = a + R  12 E L

 h 2 ht t 2 1  t  + + − (h + t ) y 0  2 3 2 4 

(6.12)

A keresztmetszetet terhelő nyomaték és normálerő aránya a fenti összefüggések figyelembevételével az alábbiak szerint alakul: h 3 E R  h 2 ht t 2 + − t + + 2 3 M h 12 E L  4 = N  E  E − y 0  h + R t  + R EL  EL 

 1 (h + t )y 0  2  h+t t 2

(6.13)

Az átrendezést, egyszerűsítést tovább folytatva y0-ra az alábbi összefüggéshez jutunk:

y0 =

 h 2 ht t 2  M h E R h + t t  t + +  − 2 3  N EL 2  4 Mh  E  E h+t  h + R t  − R t N  EL  EL 2

h3 ER + 12 E L

(6.14)

A korábbiakban nevesített a tényezőre vonatkozóan kapjuk: a=

N  E  E h+t − y 0  h + R t  + R t EL  EL 2 

(6.15)

A vizsgált görbült tartó (ábra) sík (egyenes) szakaszán, valamint az íves szakaszán a keresztmetszeteket terhelő normál erő (N), valamint hajlító nyomaték (Mh) értéke az alábbiak szerint alakul: A sík szakaszon:

69

Mh = x

M 2 2 F, és N = F, ahonnan h = x N 2 2

(6.16)

(az Mh/N hányados megegyezik az x terhelő erőtől mért futó koordinátájával) Az íves szakaszra hasonló gondolatmenettel jutunk az alábbi összefüggéshez:

 2  2 2  + R cosα − , valamint N = F, ahonnan Mh = Fl 2 2   2  Mh  2  = l + R cosα −1 N  2 

(6.17)

A vizsgált rendszer tényleges geometriai és anyagjellemzői (6.3. ábra alapján) a 6.1. táblázatban találhatók összefoglalva. 6.1. táblázat A tényleges vizsgálat során használt szerkezetek anyagjellemzői és geometriai adatai h [mm]

t [mm]

R [mm]

nL[mm]

ψ [û]

ER [MPa]

EL [MPa]

5

1,5

22,5

120

45

860

3200

6.3. ábra Terhelési modell geometriai jelölésekkel a merevítő hatás számításához

Mindezek alapján a vizsgált tárgyban (lemezben) keletkező feszültség összefüggésére – a vizsgált lemez-réteg kapcsolat tényleges geometriai és anyagjellemzőit használva – az alábbi összefüggést kapjuk: h 2

 

σ L = a  + y 0  = a (2.5 + y 0 )

(6.18)

A felszíni réteg által mért feszültség az alábbi összefüggéssel határozható meg:

70

b σR = t

−

h 2

∫

h − t 2

2 (y + y 0 )dy = b y + yy 0 t 2

E h + t  = by 0 + =a R  2  EL 

−

h 2

2  b h2 1  h  =  −  + t  + y 0 t = 2  8 2  2  

h − +t 2

 h + t y 0 2   

(6.19)

A semleges szál helyzetének eltolódása tehát a fenti geometriai és anyagjellemzőkkel rendelkező próbatest esetén a tartó sík (egyenes) szakaszán a következők szerint határozható meg:

y0 =

 5 + 2 .5  − x 0.625 2  5 + 2 .5 x (5 + 0.625) − 9.625 2

 25 12.5 2.5 2 53 + 0.625 + + 12 2 3  4

5

0.4

y0

4

0.3

y0 [mm]

-3

a/F [mm ]

A fentiek alapján meghatározható a semleges szál (y0) helyzetének alakulása a tartó x-el jelölt futó koordinátája mentén. Az eddigiek alapján, hasonlóképpen meghatározható a réteg nélküli (a*/F), valamint a réteggel számított fajlagos terhelő erőre vonatkoztatott (a/F) a, és a* értékek változása az x tengely mentén. Az eredményeket a 6.4. ábrán láthatjuk.

*

a /F

3

0.2 2

a/F 0.1

1 0 -1

0

20

40

60

80

x [mm]

0.0 100 -0.1

-2 -0.2 -3 -4 -5

-0.3 -0.4

6.4. ábra Az yo semleges szál helyzetének változása a tartó egyenes szakaszán x függvényében, valamint az a/F réteggel ellátott, és a*/F réteg nélküli tényező alakulása ugyancsak x függvényében

71

A réteg nélküli a* értékeinek meghatározására szolgáló algoritmus: a∗ = F ahol y *0 = −

3 2 2x  1 +  8h  h 

(6.20)

h 6

A fentiek alapján megállapítható, hogy a vizsgálóréteg merevítő hatásából származó hiba a vizsgálóréteg és a vizsgált lemez közös feszültségeloszlása semleges szálának helyzetével hozható kapcsolatba. A réteggel merevített lemezben a vizsgálóréteg által mért, valamint a vizsgált lemezben a réteg nélkül keletkező feszültség meghatározására alkalmazott összefüggéseket összefoglalva, kiegészítve az adott paraméterekkel rendelkező vizsgált együttes esetén használt tényleges számadatokkal, a vonatkozó eredményeket a 6.2., és a 6.3. táblázatokban foglaltam össze: 6.2. táblázat

Vizsgálóréteggel ellátott lemez esetén a vizsgálórétegben mért feszültség Vizsgálóréteg által mért feszültség

σR = a

ER  h+t  y0 +  2  EL 

A semleges szál helyzete y0

19,53158 − 2,34375 x 2,34375 − 5,625 x

Az „a” tényező

F

0,7071 2,34375 − 5,625 y 0

6.3. táblázat A vizsgált lemezben ébredő feszültség rétegbevonat nélkül

Vizsgált lemezben réteg nélkül ébredő feszültség

A semleges szál helyzete y0 *

Az „a*” tényező

-h/6

F(0,10806+0,04243x)

h  + y 0∗  2 

∗ σ L= a 

6.2.

A vizsgálóréteggel meghatározása

mért

főnyúlások

különbségének

Az optikai feszültségvizsgálat rétegbevonatos mérési eljárásának alkalmazásával a valóságos szerkezetek nyúlás és feszültségviszonyai a szerkezetet ténylegesen terhelő körülmények között elemezhetők. Az eljárás, mint teljes felületű vizsgáló módszer,

72

végtelen számú tenzométerként kezelendő, melynek minden egyes pontjában a feszültségtenzor paraméterei, azaz nagysága, iránya, értelme meghatározhatók. A réteggel ellátott vizsgált szerkezet szimmetria síkjában (a 6.5. ábrán szimmetria vonallal jelölt) sík alakváltozási állapot tételezhető fel [47], [48] míg a szerkezet – réteg együttes terheletlen szabad peremén sík feszültségállapotban van, a 6.5. ábrán bemutatottak alapján.

6.5. ábra A sík alakváltozási és feszültségállapot helyei egy vizsgált próbatest esetén

A rétegbevonatos optikai feszültségvizsgálat mérési eljárásával meghatározható egyes nyúláskomponensek, külön összegezve a sík alakváltozási és a sík feszültség állapotra vonatkozó összefüggéseket, az alábbiak szerint alakulnak (mindkét esetben σz=0 feltételezésével, valamint terheletlen szabad peremen sík feszültségállapot esetén σy=0, a 6.5. ábra értelmezésében és jelöléseivel): sík alakváltozási állapot esetében: a próbatest szimmetria síkjában:

εy = 0 =

1 (σ y −νσ x )⇒ σ y = νσ x E

(6.21)

mely összefüggés a hengeres héjak elméletéből ismert. Bármely észlelt pont nyúláskülönbsége ezek alapján (felhasználva a σy=νσx összefüggést 6.21. szerint):

εx −εy = εx =

σ 1 ( σ x −νσ y ) = x 1 − ν 2 E E

(

)

(6.22)

A szimmetriára való tekintettel γxy =0, ezért

ε1 − ε 2 = ε x − ε y =

σx E

(1 − ν ) 2

(6.22)

73

A próbatest szélein ( 6.5 ábra) sík feszültségállapot tételezhető fel. Sík feszültségi állapot esetén:

σ y = 0, ε y =

ν E

σ x, εx =

σx E

⇒ ε1 − ε 2 = ε x − ε y =

1+ν σx E

(6.23)

A keresztirányú alakváltozás tényezőjére, a műanyagokra vonatkozó alap irodalmi adatok alapján ν=0,36 értékét feltételezve (az egyszerűsített tárgyalhatóság érdekében izotróp szerkezetre vonatkoztatva), ez esetben a főnyúlás különbségek meghatározására az alábbi összefüggéseket alkalmazhatjuk: (6.4. táblázat) 6.4. táblázat Sík alakváltozási és feszültségállapot meghatározásának összefüggései, a keresztirányú alakváltozás tényező ν=0,36 értékének feltételezésével

A vizsgált hely A vizsgált lemez közepén A vizsgált lemez szélén

A főnyúlás különbség összefüggése

ε1 − ε 2 =

σx

ε1 − ε 2 =

E

⋅ 0,8704

σx E

⋅ 1,36

A vizsgált hely állapota Sík alakváltozási állapot Sík feszültségi állapot

Az optikai feszültségvizsgálat rétegbevonatos mérési eljárása, a megvilágítási szempontból hiba mentes kiértékeléshez, a vizsgált felszínre beeső, valamint az onnan visszaverődő fénymenetek merőleges voltát feltételezi [44][49]. Tekintettel arra a tényre, hogy a gyakorlatban létező valamennyi berendezés – a szűrők egymás melletti, egy síkban való elhelyezésére okán – néhány fokos szöghibával dolgozik, az így keletkező mérési hiba a gyakorlat számára az elfogadható hibahatáron belül marad. A ferde átvilágításból eredő mérési hiba kérdésére vonatkozóan az irodalomban találunk dolgozatokat [13], [36], [50]. Az ide vonatkozó munkák egy része azokat az eseteket dolgozza fel, amikor is a kiértékelés megkönnyítése érdekében speciális (45°-os) fénymenet alkalmazásával a kétféle szögben felvett optikai kép alapján történik a feszültség komponensek szeparációja. A dolgozatok másik része a vizsgált felületre történő merőlegestől való eltérés hatásait elemzi. Olyan dolgozatot azonban, amely kiértékelésre használja az extrém, 45°-os beesést meghaladó mértékű fénymenet által kapott optikai képet, nem találtam az irodalomban. A merőleges és ferde átvilágítás különbsége okán a vizsgálati technikával meghatározható rendszám (m) mértékében előálló hiba meghatározására vonatkozó összefüggéseket az alábbiakban mutatom be: a.) Merőleges átvilágítás, sík alakváltozási állapot esete (a vizsgált lemez közepén, ν=0,36 feltételezésével)

74

m⊥ =

(

)

2t (ε 1 − ε 2 ) = 2t 1 − ν 2 σ x = t σ x (1,748) SE S SE

(6.24)

b.) Merőleges átvilágítás, sík feszültségállapot esete (a vizsgált lemez szélén, ν=0,36 feltételezésével)

m⊥ =

2t (ε 1 − ε 2 ) = 2t (1 + ν )σ x = t σ x (2,72) SE S SE

(6.25)

Vizsgáljuk meg ugyanezt a két esetet ferde átvilágításra, a ferde átvilágítás sugármenete okán előálló hiba mértékének megállapítása érdekében: c.) Ferde átvilágítás, sík alakváltozási állapot esete mf =

2tσ x 2t σ 1 cos 2 α − νσ 2 = S cosα S

(

)

 ν2    cosα − cosα  

(6.26)

d.) Ferde átvilágítás, sík feszültségállapot esete

mf =

2tσ x  2t ν  σ 1 cos 2 α − σ 2 =  cosα +  S cosα S  cosα 

(

)

(6.27)

A ferde sugármenetből adódó ∆ hiba mértéke mindezek után: ∆=

mf −1 m⊥

(6.28)

A réteg merevítő hatásából eredő fajlagos (∆1) eltérést a rétegben mért és a vizsgált lemezben kialakuló főnyúlás-különbségek összevetéséből kapjuk az alábbiak szerint:

(ε − ε ) ∆1 = 1 2 R (ε1 − ε 2 )L

σ xR

(1 −ν )

3 h E L bFa ∗ 2 −1 = −1 = σ xL E R aFa h + t + y0 ( 1 −ν 2 ) 2 EL ER

2

(6.28)

A konkrét méréseket 6.6. ábrán bemutatott geometria adatok alapján végeztem. Ennek figyelembevételével végrehajtva (6.28) összefüggésben az egyszerűsítéseket, valamint az átrendezéseket, behelyettesítve a konkrét vastagsági méreteket (t=2,5mm, valamint h=5 mm), figyelembe véve jelen próbatest x értékére (a tartó egyenes szakasza) vonatkozó érvényességi tartományát (6.6. ábra), azaz 124.9mm < x < 160,5mm, a ∆1 hibára kapjuk: ∆1 =

a∗ ⋅ a

1 2y 0,5 + 0 3h

− 1 = 1,8072

a∗ −1 a

(6.29)

75

Az y0 vonatkozásában figyelembe vettem, hogy nagy x értékek esetén (gyakorlatilag x >100 esetekben) y0 ≅0,4 értékkel, x=150 mm értéknél ∆1 = 1,8072 ⋅

F ⋅ 6,4706 − 1 = 0,5438 F ⋅ 7,574

(6.30)

Ez a hibaérték (54,38%) meglehetősen magasnak tűnik. Ennek az értéknek a csökkentése abban az esetben lehetséges, amennyiben a vizsgáló réteg kalibrálását (hitelesítését) a szokásos hajlító kísérlettel végezzük, de nem az eddigiekben megszokott módon az un. alumínium próbatestre ragasztva, hanem a vizsgálat tárgyát képező lemez-réteg együttessel azonos felépítésű hitelesítő próbatesten. Ebben az esetben ugyanis a hitelesítés a fent számított eltérést már beleméri a vizsgálati eredményekbe. Tekintettel arra a tényre, hogy a bemutatott számításban x értéke (az egyenes szakasz hossza) megegyezik vizsgált keresztmetszetet terhelő hajlító nyomaték és normálerő hányadosával (Mh/N, lásd 6.16. összefüggés), ebből a tényből általánosabb érvényű következtetés is levonható. Tekintsük kiindulásnak a semleges szál helyzetének végtelenben mért értékét, mint határértéket (jelen esetben y0 = 0,4). Fogadjuk el azt a tényt, miszerint az y0 végtelenben mért értékénél mintegy 10% - kal csökkentett határértékig, (azaz ebben az esetben y0 végtelenben mért értékénél 10% - kal kisebb értékhez tartozó Mh/N hányados (6.4. ábra) határértékig) a semleges szál helyzetének vándorlása még nem befolyásolja a kiértékelési hibát. Így arra az általános érvényű megállapításra juthatunk, miszerint ez igaz a keresztmetszetet terhelő nyomaték/normálerő (Mh/N) 60 feletti értékei esetén. Más szóval, amennyiben a keresztmetszetet terhelő nyomaték domináns a normálerőhöz képest (Mh/N> 60 , a kalibrálást vizsgált lemez – réteg együttesből készített kalibráló próbatesten célszerű elvégezni.

6.3. Mini polariszkóp sugármenetének hatása a kiértékelési hibára a ténylegesen vizsgált szerkezet jellegzetes pontjaiban A mérési hiba alakulását a vizsgált sík, és görbült felszíni szakaszokkal rendelkező lemezréteg együttes egyes kijelölt, nevesített pontjaiban vizsgáltam. Az adott geometriával (6.6. ábra) elkészített, h=5 mm vastagságú alapanyagra (vizsgált lemezre) felragasztott t=2,5 mm vastagságú, n=1,5 törésmutatójú vizsgálóréteg alkalmazásával, meghatározott anyagjellemzőkkel rendelkező lemez-réteg együttes három nevezetes pontja jelölhető ki részletesebb vizsgálódás céljából. Ez a három pont a 6.6. ábrán rendre A, B, C, melyek az alábbi sajátosságokkal rendelkeznek: 6.5.táblázat A 6.6. ábra szerinti vizsgált pontok sajátosságai

A mérési pont jelölése

Pont elhelyezkedése

A

Görbült felszín középpontja, a vizsgáló berendezéstől, annak optikai tengelyén mért távolság alapján a legtávolabbi mérőpont

B

Görbült-egyenes szakasz átmeneti helye

C

Sík felszínen a vizsgálóréteg utolsó pontja

76

6.6. ábra A görbült tartó jellegzetes pontjainak és a vizsgáló készülék (polariszkóp fej) kapcsolata

A mérés-összeállítás néhány jellegzetes adata (mérőberendezésre, vizsgáló rétegbevonatra vonatkozóan), amely a soron következő vizsgálódásban szerepet kap, a 6.6. táblázatban található:

6.6. táblázat Mini polariszkóp sugármenetének vizsgálatára használt mérés összeállítás néhány főbb adata nmeC ϕ (A) ϕ1B ϕ2B ϕ1C ϕ2C ℓxmin ℓxmax

nmeA [mm]

nmeB [mm]

[mm]

[°]

[°]

[°]

[°]

[°]

[mm]

[mm]

130

123, 6

107,4

4,618

11,91

2,345

23,56

11,15

124,9

147,7

ℓxr

ψ

ℓ0

[mm]

[°]

[mm]

22,8

45

22

Fenti (6.6. táblázat) táblázatban szereplő "me" indexek a polariszkók homloksíkjától (a polariszkóp optikai tengelyének irányában) mért merőleges távolságokra utalnak, a sugármenet egyes szöghelyzeteit jelölő ϕ értékek indexei a fénynyaláb adott pontra vonatkoztatott beesési (1-es index), és a képtovábbító köteg által észlelt visszaverődési szög (2-es index) értékeit mutatják. (kivétel a középen elhelyezkedő A pont szimmetrikus esete, ahol nincs 1, 2 megkülönböztetés) A távolsági ℓ értékek az erőbevezetéstől kezdődően a vizsgált egyenes szakaszon x lehetséges értékeit jelölik (tekintettel a vizsgálóréteg méretére), az xr index a réteg egyenes szakaszon mért tényleges hosszát mutatja [mm]-ben. (a számításoknál használt egyes vetület távolságok a vonatkozó ábrákon tényleges méretükben láthatók) A következőkben az egyes nevesített mérési pontok hibáit mutatom be, a feszültségi állapotok megjelölésével. 77

A megvilágító és a visszavert fénysugár által a vizsgálórétegben megtett út (útkülönbség) geometriai viszonyainak elemzéséhez tudnunk kell az úgynevezett sugáreltolódás mértékét, melynek magyarázatát a 6.7. ábra mutatja. A vizsgálóréteggel ellátott felület egy tetszőleges (jelen esetben az oldalfelületen levő általános pont) pontjába beeső, a rétegen áthaladó, és a vizsgált felületről visszaverődő fénymenet geometriai jellemzőit szemlélteti – a későbbi összefüggésekben alkalmazott szögek értelmezésével és jelöléseivel - a 6.7. ábra. A számításokat elvégeztem mind sík feszültségállapotú pont merőleges (6.25. összefüggés) és ferde (6.27. összefüggés) megvilágítása, valamint sík alakváltozási állapotú pont merőleges (6.24. összefüggés) és ferde megvilágítási (6.26. összefüggés) eseteire, a 6.6. ábra szerinti A, B valamint C pontokra. A három nevesített pont környezet számításának fontosabb adatait az egyes pontok alatt táblázatban összegeztem (6.7., 6.8, 6.9. táblázatok). A részletes, az egyes pontok beállítási adatait tartalmazó számítások az I. számú mellékletben találhatók.

6.7. ábra A sugáreltolódás (λ) mértéke és a beesés és visszaverődés geometriája egy oldal felületi ponton

6.3.1. " A " pont környezetének elemzése (a görbült felület középpontja, gyakorlatilag merőleges sugármenet)

A vizsgálati pont a szerkezet együttes középső pontja, itt a megvilágító és vizsgáló sugármenet beesési és visszaverődési szögértékeiben nincs különbség. Ez a pont esik legmesszebb a mérőfejtől (6.6. ábra, A pont). 78

A következőkben táblázatos formában mutatom be hiba meghatározásához szükséges részeredményeket, a 6.6. táblázatban közölt geometriai adatok felhasználásával.

6.7. táblázat A pont környezetének hiba analízise, a be és kilépő fénysugár iránya közötti eltérésből sugárel- Sík feszültség állapotú hely Be- és kilépő αA Sík alakváltozási állapotú tolódás fénysugár értéke mértéke hely szöghelyzete színsáv-rendszám ∆ hiba színsáv-rendszám ∆ hiba φA (=φA1=φA2) [º] [º] (mf/m⊥)-1 (mf/m⊥)-1 φ1A φ2A λ mf mf m⊥ m⊥ [%]

4,617

4,617

3,0676

-

2,7182 • (tσx/SE)

2,72 • (tσx/SE)

-0,06

[%]

1,737 • (tσx/SE)

1,748 • (tσx/SE)

-0,598

6.3.2 " B " pont környezetének elemzése (a görbült felület és az egyenes szakasz találkozási pontja)

A vizsgálófej beállítását, a fénymeneteket a 6.8. ábra mutatja.

6.8. ábra B pont környezete, és a geometriai viszonyok

79

Az elvégzett hibaszámítást összefoglaló jelleggel a 6.8. táblázat tartalmazza.

6.8. táblázat B pont környezetének hiba analízise, a be és kilépő fénysugár iránya közötti eltérésből Be- és kilépő α1B / sugárel- Sík feszültség állapotú hely Sík alakváltozási állapotú tolódás fénysugár α2B hely mértéke szöghelyzete értéke λ1B / λ2B színsáv-rendszám ∆ hiba színsáv-rendszám ∆ hiba φB [º] [º] (mf/m⊥)-1 (mf/m⊥)-1 φ1B φ2B mf mf m⊥ m⊥ [%]

11,909

2,345

21,34 /

1,0736/

26,854

1,1208

2,631 • (tσx/SE)

2,72 • (tσx/SE)

-3,91

[%]

1,5392 • (tσx/SE)

1,748 • (tσx/SE)

-11,94

6.3.3 " C " pont környezetének elemzése (a vizsgálóréteggel ellátott felület utolsó pontja)

A mérőfej elhelyezkedése, a sugármenetek a 6.9.ábrán láthatók. A hiba számítások eredményeinek összefoglalása a 6.9. táblázatban található.

6.9. ábra C pont, utolsó vizsgálóréteggel ellátott mérőpont

80

A C pont környezetének kinagyított részletét a 6.10. ábra mutatja.

6.10. ábra Az α szögek meghatározásának segédábrája

6.9. táblázat C pont környezetének hiba analízise, a be és kilépő fénysugár iránya közötti eltérésből α1C / sugárel- Sík feszültség állapotú hely Sík alakváltozási állapotú Be- és kilépő tolódás fénysugár α2C hely mértéke szöghelyzete értéke λ1C / φC λ2C színsáv-rendszám ∆ hiba színsáv-rendszám ∆ hiba [º] [º] (mf/m⊥)-1 (mf/m⊥)-1 φ1C φ2C mf mf m⊥ m⊥ [%]

21,43

2,345

11,15 /

1,073/

21,797

1,077

2,653 • (tσx/SE)

2,72 • (tσx/SE)

-2,445

[%]

1,6163 • (tσx/SE)

1,748 • (tσx/SE)

-7,42

A mini polariszkóp fény, és képtovábbító sugármeneteinek merőlegestől való eltérése következtében, – a három vizsgált pont (A, B, C) esetén – a hiba alakulása, figyelemmel a vizsgált hely sik feszültség illetőleg alakváltozási állapotára, a 6.10. táblázatban található összefoglalva. 81

6.10. táblázat Az egyes mérőpontok hibaszázalékainak alakulása a mini polariszkóp merőlegestől eltérő sugármenetének okán, figyelemmel a vizsgált pont feszültségi, illetve alakváltozási állapotának jellegére A vizsgált hely

A hiba %-os alakulása sík feszültségi állapotú pont sík alakváltozási állapotú pont esetén esetén

A

-0,067

-0,598

B

-3,91

-11,94

C

-2,445

-7,42

A 6.10. táblázat a sugármenetek széttartásából eredő hiba százalékos mértékét mutatja be, az egyes vizsgált pontokban. Az adatok értékelésekor megállapíthatjuk, hogy azok mértéke kisebb a vártnál.

Merőleges (közel merőleges fénymenetek, A vizsgáló pont) megvilágítás biztosítása esetén a beállításban alkalmazott, vagy annál nagyobb távolságok biztosításánál (betartásánál) a mérési hiba 1% értéken belül tartható. A hiba mértéke a B pont környezetében a legnagyobb. Az elvégzett ellenőrző számítás tanúsága alapján azonban ezen a ponton is 10% értékhatár alá vihető, amennyiben a mérőfej vizsgált ponttól mért merőleges távolságát (nmeB, 6.6. táblázat) 134 mm értéknél nagyobban határozzuk meg (a vizsgálat alkalmából 123,6 mm). Ilyen értelemben tehát egy adott pont vizsgálatánál a tárgytávolság helyes megválasztásával befolyásolni tudjuk a mérési hiba mértékét.

82

7. Rétegbevonatos optikai feszültségvizsgálati technika alkalmazási területének kiterjesztése szálvázas műanyag szerkezetekre A rétegbevonatos optikai feszültségvizsgálat hagyományosan fémszerkezetek ellenőrzésére kifejlesztett és többnyire ezen a területen is alkalmazott eljárás. A szóban forgó mérési technika elfogadott rétegbevonati anyagai túlnyomó többségükben az epoxi gyanták különféle csoportjai közül kerülnek ki. Az irodalomban számos cikket találunk – ha nem is recept szerűen – az egyes rétegbevonati anyagféleségek előállításának kérdéseivel [51], a bevonati anyagok különböző tulajdonságainak méréstechnikai problémáival [52], [53], a rétegbevonati anyagok sajátos viselkedésének egyes kérdéseivel [54]. Külön kérdéskört érint a vékonyfalú műanyag szerkezetek, vagy azok mérésére alkalmazott műanyag rétegek viselkedésének elemzése, melyre szintén találhatunk adatokat az irodalomban, pl. [55]. Az 1980-as évektől mind gyakrabban alkalmazott műanyag, szálvázas szerkezetű anyagok vizsgálatában növekvő igény mutatkozott a fémszerkezeteken már hagyományosan elterjedt rétegbevonatos optikai feszültségvizsgálat mérési technikájának alkalmazására. A fémszerkezetek vizsgálatára megfelelőnek bizonyult epoxi alapú rétegbevonati anyagok azonban számos oknál fogva nem alkalmasak a műanyag szerkezetek vizsgálatára.

Nevezetesen: -

a műanyag, és szálvázas műanyag szerkezetek rugalmassági modulusa a fémekénél kb. egy nagyságrenddel kisebb. Ennek következtében – különösen vékonyfalú műanyag szerkezetek esetén – a vizsgáló réteg részt vesz a szerkezet erőjátékában, meghamisítva a mérési eredményeket (merevítő hatás),

-

a szálvázas műanyag szerkezetek (laminátok) rugalmassági modulusa nagymértékben függ az előállítási technikájuktól (kézi, gépi, vákuum, stb),

-

a laminátok alakváltozása jelentősen meghaladja a fémekét,

-

a rétegbevonati anyagok a laminátokon elszenvedett nagy alakváltozás következtében olyan magas optikai aktivitást mutatnak, (túl sok a megjelenő rendszám) amely alapján a kapott feszültségoptikai képeket igen nehezen, vagy egyáltalán nem lehet kiértékelni.

Mindezek alapján belátható, hogy a fémeknél megszokott tulajdonságokkal rendelkező (elsősorban rugalmassági modulusuk, valamint optikai aktivitásuk vonatkozásában) rétegbevonati anyagok közvetlenül nem, vagy csak korlátozott mértékben alkalmasak a műanyag szerkezetek (laminátok) vizsgálatára.

83

Különösen érdekes a kérdés, amikor a vizsgált szerkezeti elem (laminát) feszültségi állapota összetett, felszíne alakos, görbült. Ezekben az esetekben a laminátok vizsgálatára alkalmazott – nem megfelelően megválasztott – vizsgálórétegek jelentősen meghamisíthatják a mérési eredményeket. Szálvázas erősített kompozit szerkezetek tönkremeneteli folyamatainak lefolyását, anyagjellemzőinek változásait speciális körülmények között (gamma besugárzás) volt alkalmam két, témavezetésem alatt álló OTKA kutatásban vizsgálni [56], [57]. Az itt hivatkozott kutatások számos olyan kérdést érintettek, melyek kapcsolatban vannak a műanyagok vizsgálatában alkalmazható rétegbevonati anyagok kikeresésével. A fentiekben elmondottak alapján – korábban elvégzett munkában ismertetettek szerint [50] – bemutatom azt az eljárást, amelynek felhasználásával lehetőség kínálkozik a rétegbevonati anyag szálvázas műanyagokon történő alkalmazásakor a bevonat által okozott mérési hiba csökkentésére.

7.1. A mérési hiba fajlagos értékének meghatározása görbült felszínek vizsgálatánál Az itt – csak eredményeiben (tekintettel arra, hogy az [50]- ben részletesésen ismertetésre kerültek),– bemutatásra kerülő elméleti megfontolások próbatestei szálvázas erősítésű műanyag kompozitok, görbült szerkezeti kialakítással, hasonlóan a 6. fejezetben bemutatottakhoz, amely szerkezeti elemekre (hasonlóan a 6.1. pontban ismertetettekhez) azok belső, majd külső felszínén alkalmaztunk vizsgálórétegeket (az itt bemutatásra kerülő alapanyag/rétegbevonat vastagsági arányok: h/t, jelentősen eltérnek 6. pontban ismertetettektől). A próbatestek elméleti számításának modelljét a 7.1. ábra mutatja.

7.1. ábra Szálvázas műanyag kompozitokon alkalmazott optikai feszültségvizsgálati rétegek számításainak modellje

84

A R sugarú görbült felszínű sarok próbatest 7.1. ábrán bemutatott nyomatéki, valamint keresztmetszetet terhelő normálerő hatására bekövetkező tangenciális irányú nyúlása a fent hivatkozott [50]-ben bemutatottak szerint [58] alapján a következőképpen alakul:

ε=

r + y dϕ ∗ ⋅ −1 R + y dϕ

(7.1)

A fenti terhelési és geometriai feltételekkel rendelkező, “t” vastagságú vizsgálóréteggel ellátott szerkezet feszültségállapota a külső terhelések alapján, alapösszefüggésekkel számolható a vizsgált görbült felszín belső oldali rádiuszára felragasztott vizsgálóréteg esetén: +

h 2

−

s 2

∫ σ dy + ∫ σ 1

h − 2

2

dy = N

(7.2)

s − −t 2

a, keresztmetszetet terhelő normálerőre, míg +

h 2

∫σ

h − 2

− 1

y ⋅ dy +

h 2

∫σ

2

y ⋅ dy = M

(7.3)

h − −t 2

alapján a keresztmetszetre ható nyomaték hatását vehetjük figyelembe. A görbült felszín külső felületére felragasztott vizsgálóréteg hatása a (7.2), (7.3) egyenletekben bemutatottaknak megfelelően az integrálási határok értelemszerű figyelembevételével nyomon követhető. A feladat tehát olyan rétegbevonati anyag tulajdonságainak (rugalmassági modulusának, tekintettel a vizsgálni kívánt szerkezet hasonló jellemzőjére), geometriai jellemzőinek (szerkezeti vastagságának, figyelemmel a vizsgálni kívánt alapanyag vastagsági méreteire) behatárolása, amelyek alapján megkísérelhető a bevonati anyag merevítő hatásának - adott vizsgálati feltételek közötti – minimalizálása. A (7.1)...(7.3) - ban közreadott összefüggések megoldásainak (levezetéseinek) jelen dolgozat keretei közötti bemutatásától eltekintve, az alábbiakban összegezem azok feldolgozott végeredményeit, – hivatkozással az [50]-ben foglaltakra – a vizsgálatokhoz alkalmazható legkedvezőbb rétegbevonati anyagok megválasztása érdekében.

7.2. Fajlagos kiértékelési hiba minimalizálásának elve alapján megválasztható vizsgálóréteg egyes tulajdonságai A számítások alkalmából két alapvető hatás, nevezetesen az alkalmazott rétegbevonati anyag és a vizsgált alapanyag rugalmassági viszonyának arányaira, valamint a rétegbevonati anyag vastagsági méretének hatásaira koncentráltunk. Az alkalmazott főbb paraméterek összefoglalását a 7.1. táblázat tartalmazza. 85

Tekintettel arra a tényre, hogy – szemben a laminát rugalmassági modulusának adott határok közti gyakorlatilag folytonos változtatási lehetőségével – a vizsgálóréteg rugalmassági modulusa szűkebb tartományban, és csak bizonyos "diszkrét" lépésekben változtatható, a vizsgálóréteg rugalmassági modulusának tartománya - három szélső érték megadásával – behatárolására került. Ennek szempontjai az alábbiak voltak: az "igen lágy", mint egyik szélső érték (10 MPa rugalmassági modulussal), amely még alkalmas lehet vizsgálatokra, míg a "kemény" (3500 MPa rugalmassági modulussal), amely gyakorlatilag a vizsgált kompozit szerkezet rugalmassági modulusának nagyságrendjébe eső érték. A vizsgálóréteg vastagsági hatását szintén két – gyakorlati szempontból meghatározott – lehetséges határérték, nevezetesen 1...3 mm között vizsgáltuk. A számításoknál laminátok és vizsgálórétegek főbb jellemzőit a 7.1 táblázat mutatja.

7.1. táblázat Laminátok és vizsgálórétegek főbb jellemzői Laminát

Rugalmassági modulus

1000,...8500

E1 [MPa]

(folytonos)

vastagsági méret

10

h [mm]

(végig állandó)

Vizsgálóréteg

vastagsági méret

1, - 2, - 3.

t [mm]

(diszkrét értékek)

Rugalmassági modulus

10, - 250, - 3500

E2 [MPa]

(diszkrét értékek)

Elsőként a fajlagos kiértékelési hiba alakulásának mértékét mutatom be, a vizsgált görbült (sarok) próbatest felszínére ragasztott vizsgálóréteg esetén. A 7.2. ábrán pontvonal szemlélteti belső oldalra ragasztott vizsgálóréteg hatását, míg a szaggatott a próbatest külső felületére felragasztott hatásokat mutatja. Ezt követően a vizsgált laminát görbületi sugarának a hibára gyakorolt hatását vizsgáltuk, melynek eredménye a 7.3. ábrán látható. A számítások két paraméter hatását kívánták bemutatni, nevezetesen a vizsgálóréteg, valamint a vizsgált laminát rugalmassági modulusa (ha tetszik, arányának) változtatásának hatását a görbületi sugár-mérési hiba koordináta rendszerben.

86

Hibaszázalék [%]

60

E2=10 MPa

t=3 mm t=3 mm

40

E2=10 MPa

20

t=2 mm

t=2 mm

E2=250 MPa

t=1 mm

E2=10 MPa

E2=250 MPa

t=1 mm 0 2000

3000

4000

5000

6000

7000

E2=3500 MPa

8000

9000

E1 [MPa]

t=1 mm -20

E2=250 MPa

t=2 mm t=3 mm

-40

E2=3500 MPa h=10mm

-60

E2=3500 MPa

7.2. ábra A fajlagos kiértékelési hiba alakulása a laminát rugalmassági modulusának függvényében görbült (sarok) próbatesten, annak külső és belső ívén, a vizsgáló réteg vastagságának és rugalmassági modulusának, mint paraméternek függvényében

h//t=5 40

E2=10 MPa (paraméter) E1=7500 MPa

30

E2=250 MPa (paraméter)

Hibaszázalék [%]

50

20 10

R=8 E1=3500 MPa

E1=5500 MPa

0 10 -10

E2=3500 MPa (paraméter)

100

R=mm

1000

E1=7500 MPa

-20

E1=5500 MPa -30

E1=3500 MPa

R=8

-40 -50

7.3. ábra A mérési hiba alakulása a görbületi sugár függvényében, paramétereként a vizsgált laminát, valamint a vizsgálóréteg rugalmassági modulusát alkalmazva. A szaggatott vonal a külső, a folytonos a belső íven elhelyezett vizsgálóréteg hatását mutatja

87

A mérési hiba viselkedésének elemzéséből szembetűnő, hogy az a vizsgálóréteg rugalmassági modulusának változása függvényében (7.1. ábra), nevezetesen annak csökkenésével előjelet vált. Ennek valószínűsíthető oka, hogy létezik olyan vizsgált anyag/vizsgálóréteg rugalmassági modulus arány, amely esetén adott terhelési feltételek és laminát görbületi viszonyok, valamint laminát/vizsgálóréteg arányokat feltételezve a mérési hiba mértéke elméletileg zérus.

Hibaszázalék [%]

Ezt a hatást szemlélteti a 7.4. ábra, ahol is a h/t (laminát vastagság/vizsálóréteg arány: 10/2) arány 5 értékének megvalósítása mellett, a laminát próbatest külső (szaggatott vonal) és belső ívére (folytonos vonal) felragasztott különböző vizsgálórétegek által okozott hiba mértéke látható, a vizsgáló réteg rugalmassági modulusának függvényében, paraméterként vizsgált laminát rugalmassági hatását megjelenítve

35

h/t=5mm 25 15

E1=7500 MPa

5 -5 10

100

1000

E1=3500 MPa

10000

E2 [MPa

-15 -25

bevonat a belso oldalon

E1=5500 MPa

bevonat a küllso oldalon -35 -45

7.4. ábra A vizsgálóréteg rugalmassági modulusának kapcsolata a kiértékelési hibával, különböző laminát rugalmassági modulusok, mint paraméterek esetén, a vizsgált laminát külső és belső ívére felragasztott vizsgálórétegre. (h/t = 5)

Mint a 7.4. ábrából kitűnik, az adott geometriai arányokkal (h/t) elkészített sarok próbatestek esetén létezik a 3500...7500 MPa rugalmassági modulus intervallumba eső lamintok vizsgálatára olyan rugalmassági modulusú vizsgálóréteg (a 450...1900 MPa tartományban), amely alkalmazása esetén a fajlagos kiértékelési hiba a vizsgáló bevonat merevítő hatásából adódóan elméletileg zérus értékűre adódik. Meg kell azonban jegyezni, - tekintettel arra a tényre, hogy a vizsgálóréteg rugalmassági modulusának folyamatos változtatása vegyészeti, a kötésben részt vevő epoxi molekulák, valamint az alkalmazott lágyító anyagok helyes vegyérték kötésű kapcsolatának biztosítása miatt nem kezelhető folytonos változóként – a 7.4. ábrán bemutatott elméleti zérus hiba megvalósítása a gyakorlatban nem minden esetben oldható meg. 88

8. A dolgozatban megfogalmazott tézisek A dolgozatban bemutattam a rétegbevonatos optikai feszültségvizsgálat új koncepción alapuló mérőműszerének kifejlesztését és megvalósítását, mérési eljárása hibaanalízisének pontosítását, a mérési módszer alkalmazási körének kiterjesztését, az alábbiak szerint: - az eljárás vizsgáló eszköze tekintetében új, eddig más, hasonló célú vizsgálóberendezésnél nem alkalmazott koncepció kidolgozásával a fényvezetés és képtovábbítás vonatkozásában, - a vizsgáló eszköz által mérhető teljes körű (rendszám és iránysáv) feszültséganalízis megvalósítását lehetővé tevő távműködtetett igen kisméretű polarizációs szűrőrendszer kidolgozásával, - a fény számára hagyományos fényforrásokkal nehezen megközelíthető alakos, görbült felszíneken mérések lefolytatásával, az eredmények rögzítésével, azok tovább feldolgozhatósági lehetőségével, - a mérési eljárás hibáját befolyásoló egyes paraméterek hatásainak behatárolásával, - a vizsgálati célú rétegbevonati anyagok egyes paramétereinek szisztematikus elemzése révén az eljárás vizsgáló bevonata számára a vizsgálat tárgykörébe bevonható szerkezeti anyagféleségek körének szélesítésével.

A fenti bevezetésben összefoglaltak alapján az alábbi téziseket fogalmaztam meg: 1. Polarizációs optikai célú berendezés mérési elvének új koncepcióját és megvalósítási tervét dolgoztam ki az alábbiak szerint: (4. fejezet) - a száloptikás fénytovábbítás 3mm-es fényköteg átmérője, valamint a száloptikán keresztül történő képtovábbítás 4 x 4 mm2 keresztmetszetű rendezett optikai kötegen keresztül megvalósított alkalmazásának újszerű megfogalmazása lehetőséget teremtett olyan "mini polariszkóp" kidolgozására, amelynek 50 mm külső átmérőjű, 50 mm szerkezeti hosszúságú mérőfejében megvalósíthatóvá vált távvezérelt módon mozgatott 4 db polarizációs szűrő oly módon való beépítése, ami a vizsgálóréteggel ellátott tárgy teljes körű (rendszám és iránysáv hálózatra kiterjedő) feszültségállapotának meghatározására alkalmas (görbült felszínek, eldugott feszültségcsúcsok környezeteiben is), 50...350 mm tartományú tárgytávolság intervallumban. 2. Olyan optikai ellenőrző módszert dolgoztam ki, amely a kifejlesztett mini polariszkóp kisméretű optikai lencserendszeer leképzési hibáinak egyenkénti és a rendszer elemek egymásra hatásának módszeres elemzésére alkalmas, az alábbi vizsgálati feltételek szerint: (5.1. fejezet) - sík, valamint 90 û-os sarok próbatesteken végrehajtott merőleges, majd attól ± 25 û-ban eltérő ferde megvilágítások esetén az alaktorzuláson kívül színtorzulás nem lépett fel, a leképezési hibák vizsgálata a koma, párnatorzítás, asztigmatizmus mérését magában foglaló, 80 mm átmérőjű, 5 mm-es sugár lépcsőkben megvalósított céltáblarács, valamint a 10 mm-es rácsosztású, 2 mm rácspont átmérőjű sakktáblarácsok alkalmazásával. - a fehér fényben vizsgált merőlegestől eltérő fénymenet (ferde átvilágítás) során a színsáv ábra színének megváltozására kizárólag a ferde sugármenet szöghelyzetének függvénye. 3. Nyomatékkal és normálerővel terhelt vékonyfalú, kompozit laminát sarok (membránszerkezet kivételével) próbatestek feszültségállapotát leíró mechanikai összefüggések felhasználásával elméleti úton meghatároztam – a vizsgált laminát/vizsgálóréteg együttes közös semleges szálának helyzetével (vándorlásával) kapcsolatba hozva – a vizsgálóréteggel ellátott szerkezetben a keresztmetszetet terhelő nyomaték és normálerő azon viszonyszámának határértékét (Mh/N=60), amelyen túl a

89

vizsgálóréteg merevítő hatásának a kiértékelési hibára nincs jelentős hatása. (az ily módon megfogalmazott határérték megegyezik a vizsgált tartó egyenes szakaszán az erőbevezetés helyétől a tartón mért "x" futó koordinátával). (6.1. fejezet) - a határérték a vizsgált hajlított tartó-réteg együttes közös semleges szálának végtelenbeli értékénél 10%-kal kisebb értékhez tartozó, a vizsgált keresztmetszetet terhelő nyomaték/normálerő arányának (Mh/N=60) megadásán alapszik. A együtt dolgozó rendszerelemek egymásra hatásának szisztematikus elemzésénél az alábbi kiindulási feltételek teljesültek: vizsgált laminát/vizsgáló réteg rugalmassági modulusának (EL/ER) = 3,7 aránya, vastagsági méretük (h/t) = 3,3 aránya, - a tartó egyenes szakasz értelmezési tartományában a fent említett paraméterek fennállása esetén a merevítő hatásból eredő kiértékelési hiba eléri az 54 %-t, amely jól egyezik az irodalom fémszerkezeteknél ismert értékeivel, - a meglévő geometriai és anyagjellemzők által behatárolt esetben a mérési hiba a vizsgált próbatesttel hasonló szerkezeti felépítésű hitelesítő próbatest szokásos hajlító vizsgálatával csökkenthető. 4. A mini polariszkóp megvilágító fényforrása ferde megvilágításra vonatkozó hibaanalízise alapján – a vizsgálórétegbe be– és onnan kilépő sugármenet széttartásából adódóan – elméleti úton meghatároztam (figyelemmel a vizsgált laminát/vizsgálóréteg geometriai és rugalmassági viszonyainak arányára), hogy a sugármenetek széttartásából származó mérési hiba értéke: (6.3. fejezet) - sík feszültségállapot esetén nem éri el a 4 %-ot (6.8. ábra), - sík alakváltozási állapot esetén 12 % alatt marad (6.8. ábra), a mini polariszkóp 22 mmes polarizációs szűrőközéppont távolságából adódóan, az alábbi feltételek biztosítása esetén: - mini polariszkóp mérőfejének a polariszkóp optikai tengelyén a vizsgált felszíntől mért 123,5 mm, vagy annál nagyobb merőleges távolságában, - a felszínre 12º-ban – vagy attól kisebb szögben – beeső megvilágító fénynyaláb szöghelyzeténél, - a vizsgált szerkezet/vizsgálóréteg vastagsági aránya h/t = 2, a vizsgált szerkezet (laminát)/vizsgálóréteg) rugalmassági modulusainak aránya EL/ER = 4 fennállásánál. 5. Nyomatékkal és normálerővel terhelt, kis görbületi sugarú hengeres héjjak feszültséganalízisének vizsgálóréteggel ellátott sarok kialakítású műanyag laminát próbatestekre történt alkalmazásával – a vizsgálóréteg merevítő hatását befolyásoló rendszerelemek szisztematikus elemzésével – megállapítottam, hogy létezik a vizsgálóréteg rugalmassági modulusának egy olyan tartománya, amelyben a fajlagos kiértékelési hiba a vizsgáló bevonat merevítő hatásából adódóan elméletileg zérus értékűre adódik. Ez az érték a vizsgálóréteg rugalmassági modulusának ER = 450...1900 MPa intervallumában található, az alábbi feltételek esetén: (7. fejezet) - a vizsgált laminátok EL = 3500...7500 MPa rugalmassági modulusú tartományában, - a rétegbevonat ER = 10...3500 MPa rugalmassági modulusú tartományában, - a laminát/vizsgálóréteg h/t = 5 vastagsági arányának figyelembevételével, - a laminát/vizsgálóréteg görbületi sugarának 15-300 mm (gyakorlatilag végtelenig) intervallumában Célom szerint a dolgozat bemutatott néhány kiértékelési és hiba-meghatározási eljárást, amelyek alkalmazásával a rétegbevonatos feszültségvizsgálati módszer mérési hibája szisztematikus munkával csökkenthető, mérési eredményeinek pontossága újszerű felhasználások, pl. szálváz erősítésű műanyag kompozitok esetén, a gyakorlat számára elfogadható hibahatáron belül tartható.

90

9. Az optikai feszültségvizsgálat rétegbevonatos mérési eljárásának várható továbbfejlesztési irányai A mérési eljárás módszerének, berendezésének és vizsgálati anyagának tekintetében három fő fejlődési irányról beszélhetünk, nevezetesen: -

az alkalmazott berendezések tekintetében fő irányként jelölhető meg a készülékek elektronizálása, automatizálására irányuló igény. Ezen a területen az eddigi mechanikus működtetésű szerkezeteket várhatóan felváltják az elektromos működtetésűek, (pl. polarizációs szűrők léptetőmotoros forgatása), lehetőség szerint távműködtetés biztosításával

-

a mérési eredmények kiértékelése tekintetében már ma is jelentős fejlődés tapasztalható. Számos kutató foglalkozik a digitális képfeldolgozás egészének vagy egyes részterületeinek fejlesztésével pl.[59], [60]. Ma még világosan nem látható, a mérési eljárás egyes szubjektív elemeinek (pl. színárnyalatok azonos értékelése, a mérésbeállítások alkalmából bizonyos esetekben jelen lévő, a polarizált fényforrás használatából adódó csillogások kiküszöbölése) kiváltására milyen megoldások körvonalazódnak a jövőben. Ezen a területen is – hasonlóan az előbb említettekhez – apró lépésekben várható a fejlődés, jelentős, alapvetően újat teremtő megoldásra itt nem számíthatunk.

-

új fizikai elveken, hatásokon alapuló vizsgálati technika megjelenése. Ebben a vonatkozásban az eddigiektől eltérő hatáselveken alapuló mérési metodika kifejlesztését érthetjük, amely alapjaiban változtathatja meg a teljes mérőrendszer felépítését. Itt említhetem a különböző mágneses, opto-elektronikus elven működtethető polarizációs irányok Faraday effektus elve alapján történő változtatására az irodalomban találhatók kísérleteket. [61]. Minekután maga az effektus is elektromosság hatására jön létre, azaz bizonyos kristályok polarizációs tulajdonságainak változását különböző elektromágneses terek gerjesztik, az ilyen elven működő – esetlegesen optikai feszültségvizsgálati – berendezések mozgó alkatrészeket nem tartalmaznak, teljes egészében elektronikusan működtetettek, és az adatokat is ilyen módon mérő és gyűjtő készülékek lehetnek. Ez azonban ma még a távoli jövő, amelynek eléréséhez aprólékos, néha fárasztó út vezet.

91

Irodalomjegyzék

[1] Thamm, F., Ludvig, Gy., Huszár, I., Szántó, I.: A szilárdságtan kísérleti módszerei. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1968. [2] F. Zandmann, S. Redner, J.W. Dally: Photoelastic Coatings. Society for Experimental Stress Analysis, Westport, 1977. [3] Wolf, H.: Spannungsoptik. 2. Völligneubearbeiten Auflage. Band 1. Springer Verlag, Berlin - Heidelberg - New York, 1976. [4] Thamm, F : The role of the stress trajectories as an aid in the choice of the suitable shape of load-bearing structural elements of engines and structures. Periodica Polytechnica Ser. Mech. Eng. BUTE. Vol. 44. No. 1/pp.:171-183/2000. [5] Mesnager, M.: Sur la determination optique des tensions interieures dans les solides a trois dimensions. C.R.Acad. Sci Paris,1930. [6] Vásárhelyi, D.: Determination de la reaction du terrain par expérience photoélasticimétrique. Science et Industrie Travaux. 23. pp.:491-462. 1938. [7] Szmodits, K.: Optikai feszültségmérés ferdén beeső sugárral. Technika. pp.: 385386. 1938. [8] Oppel, G.: Das polarisationsoptische Schichtverfahren zur Messung der Oberflächen Spannung am Beanspruchten Bauteil ohne Modell. V.D.J. Zeitschrift 28.sz.1937. [9] Optikai Feszültségvizsgálat Magyarországon. A Gépipari Tudományos Egyesület kiadványa, Soksz. sz. RF-561/75. Gödöllő, 1975. [10] Hentschel C.: Fibre Optics Handbook. Hewlett-Packard GmbH, F.R. Germany, 1983. [11] Hegyessy Géza: Száloptikai elemek gyártása. BME egyetemi jegyzet.1993. [12] Fiberoptics, MOM. Statisztikai Kiadó, Petőfi Nyomda, Kecskemét (83. 33826), 1987. [13] Frocht, M. M.: Photoelasticity. John Wiley and Sons. 1944-48. [14] Zandman, F., Wood, M.: Photostress. Prod. Eng. 27. No. 27. 1956. [15] Vásárhelyi, D.: Contribution to the Calculation of Stress from Photoelastic Values, Am. Soc. Exp. Stress. Anal. 1951. [16] Trumbacsev, V.F., Katkov, B.A.: Izmerenyie naprjazsennij deformacij metodom fotouprugih pokrütij, Moszkva, 1966. [17] Thamm, F., Ágoston, Gy.: Aufbau, Arbeitsweise und Fehlerquelle des Trajektorienzeichners für spannungsoptische Isoclinenaufnahmen. Z.f. Instrumentenkunde Vol. 72. 1964. [18] Taylor, C. E., Bowman, R. P, North, W. P., Swinson, W. F.: Application of lasers to photoelasticity. Denver, Colo. SESA, USA. 1976. 92

[19] Alexandrov, A. L., Shandrov, L.G.: Wave Propagation in Photoelastic coatings, application to the solution of dynamic problems. Proc. 7th All-Union Conf. Photoelasticity, Tallin, USSR, 1971. [20] Robert, A., Boyer, J., Vareille, A.: Photoelasticimetres a deux longueurs d'onde appareils automatiques et semi-automatiques. Annales des Ponts et Chassees. 2. E. Trim., Paris, 1978. [21] Vozato, H., Nagata, R.: Holographic photoelasticity by using Dual Hologram Method. Journal of Appl. Phys. 16. Kötet 1. szám. Japán, 1977. [22] Robert, A.J. : New methods in photoelasticity. Exp. Mech. 7 (5) 1967. [23] Redner, S.: New automated polariscope system. Exp. Mech. 14 (12) Dec. 1974. [24] Grellier, I. P., Lagarge, A.: Etude de problemes plans transitories par interferometrie. R. Frnac. De Mec., 77.szám, 1981. [25] Chiang, F. D., Khela, R. P.: Strain analysis by one-beam laser speckle interferometry. Multiaperture method. Applied Optics, 18. kötet, 13.szám 1979. [26] Gerberich, W.: Stress distribution about a slowly growing crack determined by photoelastic coating method. Experimental Stress Analysis. XIX. kötet 2. szám, 1962. [27] Kalthoff, I. A.: The determination of crack tip stress intensity factor by Shadow optical method of caustics. Proc. of First Danubia-Adria-Symposium, Belgrad (Stubicke Toplice), pp.:62-63. 1984. [28] Read, D. T., Dally, J. W.: Theory of electron beam Moire. Proc. of SEM Spring Conference, Dearborn, USA, 1993. [29] Sciammarella, C. A., Bhat, A. K., Bayeux, P.: The holostrain system a portable holografic interferometer. Proc. of SEM Spring Conference, Dearbon, USA,1993. [30] Fahre, H., Schuman, W.: A photoelectric interferometric method to determine separately the principal stresses in two-dimensional states and possible application to surface and thermal stresses. Proc. Int. Symp. Photoelasticity, ed. By M. M. Frocht, Pergamon Press, New York. 1963. [31] Marvicz, H.: Techniken der Experimentellen Mechanik Produktwerdegang in der KFZ-Industrie. Meesen-Prüfen-Automatisieren. Stuttgart, pp.:178-184, April, 1989. [32] Radaj, D., Glatzel, G., Kizler, W.: Spannungsoptische Beanspruchungstypbilder an Punktschweissverbindungen. Schweißen und Schneiden 40. Heft 1. pp.:7-13, 1988. [33] Kaifás, F.: Járművek, Mezőgazdasági Gépek. Nr.: 6. p.: 210.14/1967. [34] Thamm, F., Borbás, L.: Anwendungsgebiete und Genauigkeitsprobleme des Oberflächenschichtverfahrens der Spannungsoptik. 6. Schule. Experimentelle Methoden der Festkörpermechanik. Akademie der Wissenschaften der DDR, Institut für Mechanik. Proceedings pp.:135...144. Karl-Marx-Stadt. DDR, 1989. [35] Schwieger, H.: Zeitschrift für Instrumentenkunde. pp..:34-35. 73/1965.

93

[36] Vishay Intertechnolody, Inc: Reflection polariscope for stress analysis using photostrass technique. Bulletin S-103, USA., 1992. [37] Shopf, H. J., Kizler, W.: Die Bohrlochmethode eine Erweiterung für das Spannungsoptische Obeflächenschichtverfahren. Bohrlochkatalog. Measurements Group Meβtechnik GmbH, Vishay München, 1982. [38] Hawkes, J.: Theory of the photoelastic biaxial strain gauge. Int. J. Rack. Mech. Min. Sci. Vol. 5. Pergamon Press, printed in Great Britan. 1969. [39] A., Stupnicki, J.: Polariskop do badanmetoda elastooptycnej warswy powierchniowej z zastosowanien swiatowodv. XIV. Lengyel Feszülségmérő Kongresszus. Varsó, 1990. [40] Borbás, L.: Investigation of dynamic strains by reflection polariscope equipped with video camera. IMECO Congress of: Testing Equipment for Experimental Investigation of Mechanical Properties of Materials. Proceedings pp.:111-116. Moszkva, 1989. [41] Naumann, H.: Das Auge meiner Kamera. Verlag von Wilhelm Knapp/Halle (Saale). Germany, 1951. [42] Born, I., Wolf, F.: Principles of Optics. Pergamon Press. New York, 1970. [43] Ábrahám, Gy., Turi, Z., Wenczel, K.:Nagypontosságú objektívek torzításmérése. Tanulmányterv. Optikai, Akusztikai és Filmtechnikai Egyesület. Budapest, 1984. [44] Speer, S.: Experimentelle Spannungsanalise. Verlagsgesellschaft, Leipzig. 1971.

BSB.

B.

G.

Teubner

[45] Aben, H. K.: On the application of photoelastic coatings by the investigation of shells. Izv. Akad. Nauk. Mekh. I Mashinostr. 7. SSSR, 1964. [46] Theocaris, P. S., Dafermos, K.: A critical review on the thickness effect of birefringent coatings. Proc. Soc. Exp. Stress Anal., 21. 1964. [47] Kuske, A.: Verfahren der Spannungsoptik, Deutscher Ingenieur-Verlag Gmbh. Düsseldorf. 1951. [48] Szalai, J. : A faanyag és faalapú anyagok anizotróp rugalmasság- és szilárdságtana. I. rész. Az OTKA, az Erdészeti és Faipari Egyetem, és többek kiadásában Hillebrand Nyomda Kft. Sopron, 1994. [49] Borbás, L.: Felszíni rétegbevonatos optikai feszültségvizsgálat elméletének alapjai és kiértékelési lehetősége. BME Közlekedésmérnöki Kar Tanszéki Közleményei. 37.szám. 1984. ISSN 0139-1615 [50] Borbas, L., Thamm, F.: Messfehler des spannungsoptischen Oberflächenschichtverfahrens bei Untersuchungen an gekrümmten Oberflächen. ÖIAZ. 141. Jahrgang, Heft4. 1996. p.:172...175. ISSN 0721-9415 [51] Vishay, Bulletin: Anweisung zum Gießen, Bearbeiten und Aufkleben Spannungsoptisher schichten. Measurements Group Meβtechnik GmbH, Vishay München, IBP-310/320-2. 1983. Dally, J., Alfirevich, E.: Effects of Poisson ratio mismatch. Experimental [52] Mechanics, 9. sz. 1969.

94

[53] Mönch, E.: Similariry and model lows in photoelastic experiments. Experimental Stress Analysis, XXI. Kötet, 1. Szám, 1983. [54] Kawata, K.: analysis of elastoplastic behavier of metals by means of photoelastic coating method. J. Scient, Res. Inst. Vol. 52. 1958. [55] Vörös, G.: Thin elastic layers, cemented pins, coats. Periodica Politechnika Vol. 18. No. 2-3, Budapest, 1974. [56] Borbás, L. (témavezető): Nagyrugalmasságú anyagok tönkremeneteli folyamatainak vizsgálata fotoelasztikus bevonatokkal. OTKA T 2996, BME 5415. számú kutatási zárójelentés, 1995. április. (4 fejezetben 29 oldal, + 4 oldal függelék.) [57] Borbás, L. (témavezető): “Szálvázas műanyag kompozitok anyagjellemzőinek változásai sugárzás hatására, különös tekintattel a szerkezettel egybelaminált feszültségoptikai szenzor viselkedésére”. OTKA: T 022073 - BME 20983-252. számú kutatási zárójelentés, 2000. július 28. (7 fejezetben 43 oldal) [58] Post, D., Zandman, F.: Accuracy of birefringent coating method for coatings of arbitrary thickness. Experimental Mechanics. 1961 [59] Septanika, E. G., Ernst, L. J., Van Den Hooff, E. G.: An automatic and Interactive large-deformation measurement system based on Image processing. Exp.Mech. Volume 38. No. 3. 1998 [60] Koppány, I., Gonda, V.: Application of digital image processing to fringe pattern analysis 16. Danubia-Adria-Symposium, Extended Summary, p.:72-73, ClujNapoca, Romania. 1999. [61] Heck, J.: Magnetic Materials and their applications. London. 1994.

95

Köszönetnyilvánítás Ez úton szeretnem köszönetemet kifejezni mindazoknak, akik számomra a feltételeket munkám végzéséhez biztosították. Különösen Dr. Thamm Frigyes docens Úrnak akire munkám szakmai irányításában mindig számíthattam és támaszkodtam. Devecz János adjunktus Úrnak, aki számítástechnikai ismereteim lyukas hálóját nagy türelemmel igyekezett befoltozni.

96

Mellékletek

97

A Mellékletek tartalomjegyzéke I. sz. Melléklet .....................................................................................................................I/1 I/1. " A " pont környezetének számítása..........................................................................I/2 I/2. " B " pont környezetének számítása..........................................................................I/3 I/3." C " pont környezetének számítása...........................................................................I/5 II. sz. Melléklet...................................................................................................................II/1 II/1. "T" próbatestek kialakítása és fő méretei és terhelési körülményei .......................II/2 II/2. "T" próbatestek terhelés hatására mért rendszám eloszlásai...................................II/7 II/3. A vizsgálatoknál alkalmazott műszerek és eszközök azonosítói..........................II/11

I. sz. Melléklet

A vizsgálórétegbe be- és kilépő sugármenetek széttartásából eredő hiba számítása a vizsgált lemez 6.6. ábra alapján értelmezett pontjaiban

I/1

I/1. " A " pont környezetének számítása A ϕ értékének (6.6. ábra)meghatározása (lévén szó merőleges megvilágításról, és a szimmetria tengelyre vonatkoztatott egyenlő mértékről, nem használtam indexelést): tgϕ =

11 = 0,08076 ⇒ ϕ = 4,6177 o 130

bevezetve: 1 sin ϕ = 0,05367 = sin α összefüggést, α értékére kapjuk αA=3,07662° n Sík feszültségállapot esetén a ferde (6.27), valamint a merőleges (6.25.) átvilágítás rendszám értékeibe a tényleges méreteket behelyettesítve kapjuk: mf =

tσ 2t σ x (0,99856 + 0,36 ⋅ 1,00144 ) = 2,7182 x , illetőleg SE SE

m⊥ =

tσ t σ x ⋅ 2 ⋅ 1,36 = 2,72 x SE SE

valamint a hiba ∆=

mf − 1 = −6,777 ⋅ 10− 4 , azaz az itt jelentkező hiba: -0,067% m⊥

Sík alakváltozási állapotú vizsgálati pontok esetén a ferde (6.26.), valamint a merőleges (6.24) átvilágítás rendszám értékeibe a tényleges méreteket behelyettesítve kapjuk: mf =

tσ 2t σ x (0,99856 − 0,1296 ⋅ 1,00144) = 1,737546 x , illetőleg SE SE

t σx, SE valamint a hiba m ⊥ = 1,748 ⋅

∆=

mf − 1 = −5,9801 ⋅ 10 −3 , azaz az itt jelentkező hiba: -0,598% m⊥

I/2

I/2. " B " pont környezetének számítása A ϕB értékeinek meghatározása (6.7. ábra)

ϕ1B, a fénynyaláb szöghelyzete: tgϕ 1B =

15,56 + 10,5 = 0,21091 ⇒ ϕ 1B = 11,9096 o 123,56

A későbbi összefüggésekben szerepet kapó α1B értékének bevezetése és meghatározása:

ψ − ϕ 1B = 33,09 o ⇒ sin (ψ − ϕ 1B ) = 0,54596 ⇒ ahonnan α1B=21,34°

1 sin (ψ − ϕ 1B ) = 0,36397 = sin α 1B , n

továbbá a sugáreltolódás mértéke, λ1B :

λ1B= t ⋅ tgα 1B = 0,97694, vala min t cos α 1B = 0,93141⇒

1 = 1,07364 cos α 1B

ϕ2B, a képtovábbító köteghez érkező fénynyaláb szöghelyzete:

15,56 − 10,5 = 0,04095 ⇒ ϕ 2 B = 2,345o 123,56 A későbbi összefüggésekben szerepet kapó α2B értékének bevezetése és meghatározása: 1 ψ − ϕ 2 B = 42,654 o ⇒ sin (ψ − ϕ 2 B ) = 0,67758 ⇒ sin (ψ − ϕ 2 B ) = 0,45172 = sin α 2 B n ahonnan α2B=26,854° tgϕ 2 B =

továbbá a sugáreltolódás mértéke, λ2B :

λ2B= t ⋅ tgα 2 B = 1,2658, vala min t cos α 2 B = 0,8922 ⇒

1 = 1,1208 cos α 2 B

Sík feszültségállapot esetén a ferde (6.27), valamint a merőleges (6.25) átvilágítás rendszám értékeibe a tényleges méreteket behelyettesítve kapjuk:

mf =

 t ν ν σ x  cos α 1B + + cos α 2 B + SE  cos α 1B cos α 2 B

m ⊥ = 2,72 ⋅

∆=

 t  = σ x ⋅ 2,631  SE

t σx SE

mf 2,6136 −1 = − 1 = −0,0391 , azaz az itt jelentkező hiba: -3,91% 2,72 m⊥

I/3

Sík alakváltozási állapotú vizsgálati pontok esetén a ferde (6.26.), valamint a merőleges (6.24) átvilágítás rendszám értékeibe a tényleges méreteket behelyettesítve kapjuk:

mf =

  1 1 t + σ x  cos α 1B − cos α 2 B − ν 2  SE   cos α 1B cos α 2 B

m ⊥ = 1,748 ⋅ ∆=

 t   =  SE σ x ⋅ 1,5392 

t σx SE

mf 1,5392 −1 = − 1 = −0,1194 , azaz az itt jelentkező hiba: -11,94% m⊥ 1,748

I/4

I/3." C " pont környezetének számítása A ϕC értékeinek meghatározása (6.8. ábra)

ϕ1C, a fénynyaláb szöghelyzete tgϕ 1C =

31,68 + 10,5 = 0,3927 ⇒ ϕ 1C = 21,43o 107,43

A későbbi összefüggésekben szerepet kapó α1C értékének bevezetése és meghatározása:

ψ − ϕ 1C = 23,56 o ⇒ sin (ψ − ϕ 1C ) = 0,3997 ⇒ ahonnan α1C=15,46°

1 sin (ψ − ϕ 1C ) = 0,2665 = sin α 1C , n

továbbá a sugáreltolódás mértéke, λ1C :

λ1C= t ⋅ tgα 1C = 0,9998, vala min t cos α 1C = 0,93141 ⇒

1 = 1,07364 cos α 1C

ϕ2C, a képtovábbító köteghez érkező fénynyaláb szöghelyzete tgϕ 2 C =

31,68 − 10,5 = 0,1972 ⇒ ϕ 2 C = 11,153o 107,43

A későbbi összefüggésekben szerepet kapó α2C értékének bevezetése és meghatározása (6.10. ábra alapján):

ψ − ϕ 2 C = 33,847 o ⇒ sin (ψ − ϕ 2C ) = 0,5570 ⇒ ahonnan α2C=21,797°

1 sin (ψ − ϕ 2 C ) = 0,3713 = sin α 2 C n

továbbá a sugáreltolódás mértéke, λ2C :

λ2C= t ⋅ tgα 2 C = 0,9998, vala min t cos α 2 C = 0,9285 ⇒

1 = 1,0770 cos α 2 C

Sík feszültségállapot esetén a ferde (6.27.), valamint a merőleges (6.25.) átvilágítás rendszám értékeibe a tényleges méreteket behelyettesítve kapjuk:

mf =

  1 t 1 σ x  cos α 1C + coosα 2C + ν  + SE   cos α 1C cos α 2C

m⊥ =

tσ t σ x ⋅ 2 ⋅ 1,36 = 2,72 x , valamint a hiba SE SE

 tσ   = 2,6535 x , illetőleg  SE 

I/5

∆=

mf − 1 = −0,02445 , azaz az itt jelentkező hiba: -2,445% m⊥

Sík alakváltozási állapotú vizsgálati pontok esetén a ferde ( 6.26), valamint a merőleges (6.24) átvilágítás rendszám értékeibe a tényleges méreteket behelyettesítve kapjuk:

mf =

tσ 2t σ x 0,9638 + 0,9285 − 0,36 2 (1,0375 + 1,0770 ) = 1,6183 x , illetőleg SE SE

m ⊥ = 1,748 ⋅

(

)

t σx, SE

valamint a hiba:

∆=

mf − 1 = −0,0742 , azaz az itt jelentkező hiba: -7,42% m⊥

I/6

II. sz. Melléklet

"T" próbatestek rétegbevonatos vizsgálata száloptikás mini polariszkóp alkalmazásával

II/1

II/1. "T" próbatestek kialakítása és fő méretei és terhelési körülményei Címben jelzett próbatestek hegesztett kivitelű, zárt szelvényből kialakított, különbözőképpen kialakított merevítő bordával ellátott csomópontok, melyek rétegbevonattal láttam el, a csomópontok rendszámeloszlásának összehasonlítás érdekében. A próbatestek abból a célból készültek, hogy igazolják a mini polariszkóp vékonyfalú, alakos, hegesztett szerkezeteken végrehajtott mérésekre való alkalmasságát, bizonyítsák, hogy a készülék alkalmas a kísérletek elvégzésére. A próbatestek lényegében azonos alapkivitelben, kétféle sarok merevítéssel készültek, a II.1., valamint a II.2. ábrák szerint. A próbatestek főbb geometriai adatait a II.1. táblázatban foglaltam össze.

II.1. táblázat A T próbatestek főbb geometriai adatai Méret megnevezése sl sh sv Lt La za1 zb1 zv1 za2 zb2 zv2 Mt Me dcs

T1 [mm] 5 5 3 543 480 60 60 2 40 40 1,5 370 385 10

T2 [mm] 35 45 3 543 480 60 60 2 40 40 1,5 370 395 10

II/2

II.1. ábra T1 csomópont kialakítása, kétbordás kivitel, bordák az alsó tartó felső lapjának szimmetria tengelyében

II/3

II.2. ábra T2 csomópont kialakítása, négybordás kivitel, bordák függőleges cső négy sarok élétől az alsó tartó sarok éléig kivezetve

II/4

A próbatestekről készített felvételeket a II.3. ábra, valamint II.4. ábra szemlélteti.

II.3. ábra T1 própatest fényképfelvétele

II.4. ábra T2 própatest fényképfelvétele

II/5

A próbatesteket terhelő keretben, erőmérő cella közbeiktatásával hidraulikus munkahenger segítségével, a T csomópont függőleges tartóján keresztül terheltük. A terhelés körülményeit a II.5. ábra mutatja.

II.5. ábra T csomópontok terhelési körülményei, az erőmérésre alkalmazott mérőcella és mérőerősítő bemutatásával A vizsgált csomópontok a függőleges tartóoszlop végpontján át, annak tengelye mentén nyomásra, valamint a függőleges oszlop végpontján át, a vízszintes tartóval párhuzamos irányú erővel, nyomatékkal voltak terhelve. A terhelő erők mértékét a II.2. táblázat mutatja.

II.2. táblázat A csomópontok vizsgálatánál alkalmazott terhelések Terhelő erő iránya Terhelés mértéke [N] függőleges 1400 vízszintes

465

A vizsgálatokra alkalmazott rétegbevonat vastagsága t= 2,4 mm, nyúlásoptikai tényezője fε=1100 µ/m (µStrain) értékre adódott. A vizsgált csomópontok terhelt állapotairól a száloptikás mini polariszkóp alkalmazásával videó felvétel készült. A videó felvételeken rögzített képek alapján rajzoltam fel az összerajzolt rendszám (színsáv) eloszlásokat, melyek egy további kiértékelés alapjaiul szolgálhatnak. II/6

II/2. "T" próbatestek terhelés hatására mért rendszám eloszlásai Az alábbiakban a T1 nyomásra és hajlításra, majd a T2 hasonló összerajzolt rendszám eloszlásait mutatom be. Az összehasonlító vizsgálatokhoz elegendő egyszerű szemrevételezéssel megállapítani, hogy a "kétbordás" kivitel a terhelés jelen körülményei között nem szerencsés (egyébiránt feltehetően más körülmények között sem), igen magas rendszám értékek mutatkoznak a feszültség-torlódási helyeken, melyek a tartó idő előtti tönkremenetelét okozzák. A "kétbordás" kivitel az élekre átvezetett terhelés átadással lényegesen alacsonyabb feszültségszintet eredményez még a feszültségtorlódási helyek környezetében is.

II.6. ábra T1 csomópont, függőleges nyomás

II/7

II.7. ábra T1 csomópont, hajlítás

II/8

II.8. ábra T2 csomópont, nyomás

II/9

II.9. ábra T2 csomópont, hajlítás A vizsgálóeszköz a kritikus területekhez kellően közel helyezve (min. távolság 50...55 mm) kis méreteinél fogva (50 mm átmérő, 50mm hosszúság)lehetőséget biztosított az eloszlások felvételére, amire a hagyományos polariszkóp méreteinél fogva (szűrő átmérő 120 mm, szűrők középpontjának távolsága 140 mm) nem bizonyult alkalmasnak. Az itt bemutatott rendszám eloszlások alapján – a alkalmazott vizsgálóréteg méréstechnikai paramétereinek ismeretében – a vizsgált csomópontok rétegbevonattal ellátott felületeinek nyúlás,- és feszültséganalízise elvégezhető. A feszültségállapot ismeretében a szerkezet kedvezőbb erőjátékára a javaslatok megtehetők.

II/10

II/3. A vizsgálatoknál alkalmazott műszerek és eszközök azonosítói Megnevezés Monitor Video rögzítő 1 Video rögzítő 2 (camcorder) Fényforrás 1 Fényforrás 2 Polariscope Mini polariszkóp fej Mini p. távszabályzó Száloptika szemlencse Kamera illesztő lencse

Típus

Gyártási szám

Commodore 1802 ITT Digicontrol Sony CCD FX 200E Fibrolux (MOM) GAF 202 B 30 MPR SZRP -

XT 4008738 VR 3946 50444 1505 22751 031-B 037927 01 01 -

II/11