Existen una gran variedad de configuraciones para un equipo de Interferometría moiré, aunque los elementos básicos indispensables que son comunes a todos son:
- Fuente de luz coherente y polarizada. - Lente expansora del rayo.
- Elemento colimador. - Interferómetro. - Rejilla de difracción. - Cámara fotográfica.
5.3.1 Interferómetro de Moiré básico
En la fig. 5.3, se puede observar la estructura de un interferómetro de Moiré básico, que permite la medida de desplazamientos en una sola dirección.
Fig. 5.3. Configuración simple de un interferómetro Moiré de dos rayos
Como se observa en este caso, la fuente de luz utilizada consiste en un emisor de rayos laser, la expansión del rayo se consigue mediante una lente, como elemento colimador se ha usado un simple espejo parabólico y el interferómetro se reduce en este caso a un simple espejo plano dispuesto perpendicular a la rejilla de difracción fijada al espécimen.
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55 Comparación de los resultados de desplazamientos analíticos, numéricos y experimentales en el
ensayo de compresión “Brazilian Test” de una esquina bimaterial
5.3.2 Interferómetro acromático
A continuación se describirá un interferómetro denominado Acromático Compacto, el cual permite la medida de los desplazamientos según dos direcciones perpendiculares en el plano de la rejilla (las direcciones ortogonales a las líneas de la misma). Los equipos acromáticos presentan como ventaja, frente a otros equipos, que no requieren una fuente de luz monocromática, siendo además aceptablemente insensibles a las vibraciones. Además, este caso particular al ser compacto, presenta la ventaja de ser fácilmente transportable. Consta de una Unidad Principal de Control, a la que van conectados tanto la fuente generadora que alimenta al laser como el dispositivo controlador del tiempo de exposición (en la toma de imágenes fotográficas), y del Interferómetro. Sobre la Unidad Principal se apoya un cañón de laser de HeNe, junto con los espejos que conducen el rayo hacia la lente expansora (fig.5.4).
Fig. 5.4. Vista frontal exterior del equipo de Interferometría moiré acromático compacto
El rayo expandido en la lente, se enfoca sobre uno de los espejos parabólicos interiores que actúan como elementos colimadores, produciendo un haz de rayos paralelos. Existen dos espejos parabólicos (uno para cada campo de desplazamientos) los cuales son conmutados en su uso mediante un espejo a 45°, que interpuesto frente a la lente expansora desvía el haz de luz hacia el espejo parabólico inferior correspondiente al campo horizontal, según se muestra en la fig.5.5.
Fig. 5.5. Esquema interior del sistema colimador del haz
El haz de luz colimada, procedente del espejo parabólico correspondiente, es pasado a través de una lente circular y conducido hacia un espejo móvil que se utiliza para dirigir los rayos hacia la ventana
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correspondiente del interferómetro. En la fig. 5.6 se muestra la trayectoria seguida por los rayos para la medida del campo vertical.
Fig. 5.6. Esquema de la trayectoria de los rayos en la unidad principal (campo vertical)
En la parte frontal de la unidad se encuentra la montura para la cámara y un botón para controlar el enfoque de la imagen, que desplaza una lente móvil interior. Así mismo, tras dicha lente se encuentra el obturador, que dispone de un diafragma para controlar la abertura (palancas laterales), y cuya apertura es controlada mediante un dispositivo exterior conectado a la Unidad Principal.
El otro elemento, el Interferómetro, es la pieza fundamental del equipo. Consiste en una caja de aluminio anodizado con cuatro ventanas, dos de ellas para entrada de los rayos procedentes de la unidad principal, otra para permitir la incidencia de los rayos sobre la rejilla fijada al espécimen, y la última, que posee una lente, recoge las imágenes de interferencia para dirigirlas hacia el objetivo de la unidad principal. En la figura 5.7 se muestra un corte del interferómetro mostrando el interior del mismo, así como el esquema de la trayectoria de los rayos dentro de él.
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57 Comparación de los resultados de desplazamientos analíticos, numéricos y experimentales en el
ensayo de compresión “Brazilian Test” de una esquina bimaterial
Fig. 5.7. Vista interior del interferómetro y esquema del camino seguido por los rayos
En esta última figura, pueden observarse dos elementos característicos de los sistemas acromáticos: los espejos paralelos y el compensador. Éste último no es más que una rejilla de difracción por reflexión que actúa como separador del rayo incidente dividiéndolo en dos, que en este caso corresponden a los rayos difractados de ordenes +1 y -1, los cuales son dirigidos hacia los espejos paralelos donde se reflejan confluyendo para reunirse en la rejilla fijada al espécimen. El espejo situado en la parte inferior derecha sirve para dirigir el rayo, procedente de la unidad principal, perpendicularmente hacia el compensador.
Se debe mencionar que la disposición interior descrita del interferómetro está duplicada dentro de éste, una en posición vertical y otra en posición horizontal, para permitir la obtención casi simultánea de las imágenes correspondientes a ambos campos de desplazamiento para cada estado de carga aplicado al espécimen.
5.3.3 Descripción de la operación con el equipo
En este apartado, se detallarán los pasos a seguir para la puesta a punto de un equipo interferométrico básico, los cuales serán extrapolables a la gran mayoría del resto de equipos, y posteriormente se abordarán los detalles concernientes al equipo acromático compacto descrito anteriormente.
5.3.3.1 Equipo básico
1. Posicionar el láser de manera que el plano de polarización del rayo quede paralelo o perpendicular al plano del sistema, esto asegura un buen contraste de la imagen.
2. Posicionar el obturador y la lente expansora en la trayectoria del rayo.
3. Situar el elemento colimador de forma que los rayos salgan paralelos de él. Para realizar el ajuste de este elemento se coloca un espejo plano frente al rayo colimado, de manera que se refleje hacia atrás, debiéndose cumplir que, si el elemento colimador está bien situado, el rayo reflejado estará enfocado en el plano focal de la lente expansora. La observación del rayo reflejado puede hacerse colocando una pantalla en el plano focal, y el ajuste preciso será el que haga que el punto observado sea mínimo.
4. Situar el filtro en el plano focal de la lente expansora.
5. Colocar el espécimen en posición e iluminar. El ángulo de incidencia debe ser ajustado orientando el espécimen de forma que el orden de difracción 1 emerja aproximadamente según la normal a la rejilla. 6. Colocar el espejo plano pegado a la rejilla y perpendicular a la misma.
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7. Realizar el ajuste fino del sistema, que consiste en ajustar de forma precisa el ángulo recto entre la rejilla y el espejo plano, y el ángulo de incidencia. Cuando el ángulo entre la rejilla y el espejo plano es exactamente 90º, la luz incidente sobre ambos se reflejará en la misma dirección de incidencia, por lo que será enfocada por el colimador en el plano focal de la lente expansora. En general, cuando el ángulo no está todavía ajustado exactamente los rayos reflejados formarán dos puntos en la pantalla colocada en el plano focal de la lente. El ajuste del ángulo de incidencia se realiza verificando el paralelismo de los rayos difractados, usando para ello una lente positiva (usualmente la de la cámara.)
8. Ajustar el enfoque de la cámara sobre la superficie del espécimen.
9. El ajuste final se refiere al número y dirección de las franjas observadas en el visor de la cámara. La situación inicial de referencia deseable para la posterior medida de los desplazamientos en un ensayo es el denominado campo nulo, que no es más que una imagen sin franjas. Dicho campo nulo se obtiene ajustando de forma muy precisa la posición del espejo a 90º de la rejilla. En la práctica no se puede esperar un campo perfectamente nulo, considerándose aceptable una imagen con media o una franja dentro del campo de visión. Una vez obtenido el campo nulo se debe fijar todo el sistema óptico para que permanezca fijo durante todo el experimento. Cuando el sistema está preparado se puede comenzar a cargar el espécimen, con lo que éste se deformará y por tanto también la rejilla adherida a la superficie del mismo, generándose así una imagen con franjas que constituye un mapa de curvas de isodesplazamientos.
5.3.3.2 Equipo acromático compacto
Una vez preparado el espécimen y dispuesto sobre el dispositivo concreto de ensayo que se vaya a utilizar, hay que colocar el Interferómetro junto a la superficie del grating tal como se describe en la figura 4.6, de manera que el soporte del mismo quede solidario con el elemento móvil del dispositivo de ensayo. A continuación, se ha de situar la Unidad Principal de Control centrada con el Interferómetro, para ello hemos de cuidar que tanto el espejo móvil superior como el lateral de la Unidad Principal queden centrados sobre las ventanas correspondientes del Interferómetro.
Una vez dispuesto el equipo podemos conectar a la red la fuente de láser y el controlador de apertura. Poniendo en marcha ambos elementos podremos proceder al ajuste de la imagen que se pretende obtener. En primer lugar, se realizará un ajuste aproximado mediante el accionamiento de los tornillos que mueven los espejos de la Unidad Principal y mediante el giro del Interferómetro sobre el soporte del mismo, consiguiéndose de esta manera el centrado de la imagen dentro del campo de vista. Tras este ajuste previo se puede proceder a realizar el ajuste fino, para el cuál se emplean los controles situados en el Interferómetro. Existen dos para cada campo, controlando uno el ángulo de incidencia de los rayos sobre el espécimen y el otro el ángulo de rotación del sistema respecto de la orientación de las líneas de la rejilla de difracción. El correcto ajuste del ángulo de incidencia se traduce en el paralelismo de los rayos, difractados en la rejilla, de órdenes +1 y -1, lo que se manifiesta por la observación de un único punto en el plano focal de la lente a través de la cual se observan las imágenes. En el caso de que el ángulo no fuera el correcto los rayos no serían paralelos, y por tanto no serían enfocados en un solo punto sino en dos, de manera que para el campo horizontal se observaría una separación horizontal de los puntos, y para el campo vertical tendríamos una separación vertical entre ellos. En consecuencia, el ajuste del ángulo de incidencia, para los campos U y V, se consigue actuando sobre los correspondientes controles (denominados de extensión) del ángulo de posición de los espejos paralelos, en el plano de transmisión, de forma que los puntos observados a través de la lente coincidan en posición horizontal (para el campo U) y vertical (para el campo V) respectivamente, según se muestra en la figura 5.8.
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Fig. 5.8. Esquema del movimiento de los puntos producidos en el plano focal de la lente
En cuanto al ajuste fino del ángulo de rotación del sistema respecto de las líneas del grating, este se efectúa accionando los correspondientes controles (denominados de rotación) del ángulo de posición de los espejos paralelos, en el plano paralelo a la superficie de la rejilla, hasta hacer coincidir los dos puntos observados en posición vertical para el caso del campo U, y en posición horizontal para el ajuste del campo V.
El paso previo, necesario para la posterior obtención de las imágenes de las curvas de isodesplazamientos, es el ajuste del campo nulo que, como se ha mencionado, es la imagen de intensidad uniforme correspondiente al estado indeformado de la rejilla.
En la práctica, debido a imperfecciones en la rejilla, no es posible obtener la imagen teórica de campo nulo conteniendo cero franjas, sin embargo una imagen con una o dos franjas, que suele ser alcanzable normalmente, se considera aceptable.
Para la obtención del mencionado campo nulo, habrá que realizar todas las operaciones descritas previamente, estando la probeta descargada, debiendo observarse en ese momento una serie de franjas debidas a la existencia de pequeñas desviaciones en el ajuste del ángulo de rotación. El ajuste preciso de dicho ángulo se logra moviendo ligeramente el control de rotación, en el sentido en que disminuya el número de franjas, hasta alcanzar un número mínimo de éstas. Una vez obtenido el campo nulo, para las dos posiciones (horizontal y vertical), se fijará todo el sistema óptico y se deberá mantener así durante todo el ensayo.