Desenvolvimento de uma roseta óptica difrativa para medição de deslocamentos, deformações, tensões mecânicas e tensões residuais mecânicas

Abstract

Este trabalho dá continuidade à linha de pesquisa em métodos ópticos de medição do Labmetro/UFSC, que propôs e vem desenvolvendo uma tecnologia inovadora em nível mundial para medir deslocamentos, deformações e tensões. Já foram investidos até o presente muitos recursos e esforços a fim de tornar viável a sua aplicação na indústria. Este trabalho contribui para a solução das principais limitações práticas ainda presentes, resultando em um interferômetro plano radial robusto e adequado à medição de nanodeslocamentos, microdeformações, tensões mecânicas e tensões residuais. As tecnologias aqui desenvolvidas são aplicadas no desenvolvimento de protótipos de dois novos sistemas de medição. A medição de tensões residuais requer ainda muitos avanços para atender maior gama de aplicações com confiabilidade suficiente. As soluções apresentadas neste trabalho trazem aperfeiçoamentos nesta direção. Para chegar a tais soluções, são aplicadas tecnologias multidisciplinares, envolvendo avançados conceitos de óptica, tecnologias atuais de eletrônica e informática, procedimentos estatísticos, tecnologias de processo de usinagem e de mecânica de precisão. A principal inovação introduzida com este trabalho é o desenvolvimento, validação e aplicação de um elemento óptico difrativo (DOE) especial para a geração da iluminação cônica, responsável pela sensibilidade do interferômetro plano radial. Com esta alteração, conseguiu-se um sistema óptico interferométrico invariante ao comprimento de onda do laser empregado na iluminação, tornado-o imune às instabilidades do comprimento de onda da fonte de iluminação que causavam a perda de correlação nas versões anteriores do sistema que usavam espelhos cônicos. Esta propriedade também permitiu o uso de lasers diodos de baixo custo e apresentando múltiplos modos com comprimento de coerência de pouco mais de 100 µm. Devido ainda ao baixo valor do coeficiente de expansão térmica do vidro do DOE, o sistema desenvolvido é praticamente insensível às variações de temperatura. O desenho compacto mantém o sistema pouco sensível a vibrações, tornando-o robusto para aplicações industriais e de campo. Com base no estudo conceitual e funcional da técnica são concebidos dois protótipos: um para medir tensões impostas e outro, mais completo, para medir tensões residuais. A análise de incertezas da técnica de medição de tensões residuais pelo furo cego revela grande sensibilidade ao erro da medição do diâmetro e à qualidade da forma do furo cego realizada para a medição de tensões residuais. Para aprimorar o desempenho na medição de tensões residuais o trabalho desenvolveu e validou um dispositivo de furação aperfeiçoado, com melhoria de guias e mancais, controle automatizado de avanço e medição óptica automatizada. O desempenho metrológico de cada protótipo foi determinado por calibração. Com base na calibração da medição de deslocamentos, e com base em uma análise de propagação de erros, foram estimadas as incertezas de medição de deformações, tensões e tensões residuais com o furo cego.

This work continues the Labmetro/UFSC research line on optical metrology. In this line, a worldwide innovative technology for measuring displacements, deformations and stress was proposed and is under development. Up to today, many resources and efforts already have been invested in order to make this development applicable to industry. This work contributes to the solution of the main practical limitations still present in this technology, resulting in a robust radial in-plane interferometer suitable for measuring sub micro displacements, microdeformations, mechanical and residual stresses. The knowledge developed in this work is applied in the development of two optical measurement system prototypes. Residual stress measurement by optical means still requires more improvements to meet a greater range of applications with sufficient reliability. The solutions presented in this thesis bring contributions in this direction. To reach such solutions a multidisciplinary approach, involving advanced concepts in optical engineering, current technologies of electronics and computing, statistical procedures, maching process technology and precision engineering, are applied. The main innovation introduced in this work is the development, validation and application of a new diffractive optical element (DOE) for conical illumination that configures a new interferometer with true radial in-plane sensibility. This new configuration made the interferometer invariant to the wavelength of the light source, making it immune to wavelength instabilities of the laser, which was the main problem that caused loss of correlation in earlier versions of the system with conical mirror. This property also allowed the use of low cost multimode laser diodes with just over 100 micrometers of temporal coherence length. Due to the low thermal expansion coefficient of the DOEs glass, the developed system is virtually insensitive to ambient temperature variations. The compact design keeps the system less sensitive to vibration, making it robust for industrial and/or field applications. Two prototypes were designed based on these new concepts: one for measuring mechanical stress and a more complete one, for measuring residual stresses. The inaccuracy for residual stresses measurement by the hole drilling technique reveals high sensitivity to the uncertainty of the diameter value and the shape quality of a blind hole drilled for residual stresses relieving. To improve the performance for the measurement of residual stresses an improved drilling device, with better guides and bearings, automatic depth control and a new optical diameter measuring procedure, was developed and validated in this work. The metrological performance of each prototype was determined by a careful displacement calibration. Based on this displacement calibration, an error propagation analysis was applied for all procedures and measurement uncertainties were estimated for deformations, stresses and residual stresses measurements with the blind hole method.