Лекция 23 Радиоскопия это метод неразрушающего контроля

Лекция 23. Радиоскопия – это метод неразрушающего контроля, который основан на преобразовании радиационного изображения объекта контроля в световое излучение на выходном экране радиационно-оптического преобразования. Причем дефектоскопический анализ полученного изображения осуществляется непосредственно в процессе контроля. Изображение получают на флюроскопическом экране или на экране телевизионной трубки. При этом сохраняются достоинства радиографии, поскольку на экране видны реальные изображения объекта контроля и дефектов, в случае их наличия. Однако при радиографии невозможно изменение положения объекта контроля непосредственно в процессе контроля. При радиоскопии это возможно, что позволяет получить изображение объекта контроля под разными углами. Это сокращает время контроля и увеличивает оперативность. Преимущества: üСохраняет достоинства радиографии в определении характера и формы дефектов; üМетод позволяет исследовать объект контроля непосредственно в момент просвечивания, а при использовании специальных манипуляторов, изучать объект контроля под разными углами; ü Повышается вероятность обнаружения дефектов в силу малой инерционности метода и в результате оценки объекта контроля под разными углами. Недостатки: ØМеньшая чувствительность; ØОтсутствие документа.

Метрологические показатели оптических преобразователей. 1. 2. 3. 4. 5. 6. Размер рабочего поля. Масштаб преобразования. Коэффициент усиления яркости. Предел разрешения (количество линий/мм). Коэффициент передачи контрастности. Яркость темнового фона (без излучения). Крупногабаритные изделия разбивают на участки + + – 1 2 3 4 5 1 – источник излучения; 2 – объект контроля; 3 – электронно-оптический преобразователь; 4 – объектив; 5 – телевизионная трубка; 6 – экран телевизора. 6 проверяют далее на радиографи и Обычно радиоскопию используют в сочетании с радиографией. На первом этапе используют радиоскопию для обнаружения дефекта, на втором – радиографию для документирования обнаруженного дефекта. Относительная чувствительность (Wотн) = 1 4 %.

Радиометрия. Радиометрия основана на использовании различных счетчиков чувствительных к прошедшему излучению. В этом методе на объект контроля падает и проходит через него дифрагированный пучок излучения, причем в зависимости от интенсивности прошедшего излучения изменяется сила ионизационного тока полученного в ионизационной камере. Полученный электрический сигнал, который пропорционален интенсивности тока, выводится на самописец. Существует два метода представления информации: 1. Дискретный – в нем определяют число импульсов на выходе детектора. 2. Аналоговый – определяют суммарный заряд детектора. Основной задачей при рентгенометрии является расшифровка результатов. При этом необходимо определить тип дефекта, его местоположение и размер. В радиометрии определяют две основные координаты дефекта; v протяженность; vлучевой размер. Разные дефекты могут приводить к одному и тому же результату на ленте, поэтому надо знать какие могут быть дефекты.

Ø Ø Существуют следующие параметры, по которым можно охарактеризовать полученный сигнал: Амплитуда (А); Длительность импульса (lи); Крутизна фронта и крутизна спада импульса (к); Конфигурация вершины импульса (В). Основные параметры, характеризующие сигнал. В Kф Kc A Lu 1. Амплитуда (А). Амплитуда характеризует лучевой размер дефекта в направлении прохождения излучения. Величину амплитуды сигнала от изделия можно сравнивать с амплитудой сигнала, полученной на эталоне из того же материала, расположенном на поверхности изделия, что позволит оценить лучевой размер дефекта. d

2. Длительность импульса (Lи). Длительность импульса характеризует длину дефекта в направлении перемещения контролируемого изделия (или источника излучения с детектором). Где: lдеф – реальный размер дефекта; Lu – протяженность импульса на диаграммной ленте; vo – скорость контроля; v 1 – скорость диаграммной ленты, скорость записи; a – поправочный коэффициент, размер окна коллиматора. 3. Крутизна фронта (Кф) и крутизна спада (Кс). Крутизна фронта и крутизна спада характеризуют тип дефекта. Например: трещины имеют плоский фронт за счет постепенного изменения размеров, а поры крутой фронт. 4. Конфигурация вершины (В) импульса. Конфигурация вершины характеризует сечение дефекта вдоль оси просвечивании. Например: резкие скачки свидетельствуют о наличии мелкой пористости.

Радиационная толщинометрия обычно осуществляется методами: ØРадиометрии; ØРеже радиографии; ØОбратного рассеяния. 1. В случае радиометрии амплитуду полученного сигнала сравнивают с амплитудой от эталона. Погрешность оценки толщины определяется по формуле: где - толщина; - линейный коэффициент поглощения материала; - показатель толщиномера. Этот метод можно использовать для многослойный объектов из разных материалов. Если известен состав материала. в случае радиометрии. Где: КТ – константа, характеризующая преобразование сигналов блоками толщиномера; 1, 2 – линейное поглощение слоев; р1, р2 – величины характеризующие долю слоев; 1, 2 – толщины слоев.

2. В радиографии используется метод двойного просвечивания. 1 I II b 2 III I – объект контроля; II – индикатор (фотопленка); III – маркер (метка); 1 и 2 две F точки расположения источника излучения. -? c 3. Толщину и состав слоев материала можно определять методом обратного рассеивания 1 - источник излучения; 2 - объект контроля (двухслойный); 3 – детектор. Детектор измеряет рассеянное (характеристическое) излучение. Поток рассеянного излучения в этом случае будет являться возрастающей функцией от толщины слоя (покрытия). Чувствительность рентгеновского толщиномера к изменению толщины слоя (покрытия) тем выше, чем больше разность атомных номеров материала слоя (покрытия) и основного материала.

Отличия дефектоскопии от толщинометрии Ø Ø При дефектоскопии из-за локальных размеров дефекта необходимо использовать быстродействующие приборы. При дефектоскопии размеры коллиматорного окна должны быть соизмеримы с размерами минимальных выявляемых дефектов. При толщинометрии обычно используют эталоны. При дефектоскопии нужны непрерывные измерения, а при толщинометрии достаточно точечных измерений.

Примышленная рентгеновская вычислительная томография (ПРВТ). ПРВТ – метод радиационного контроля, который сочетает в себе информационные достоинства рентгеновского излучения с возможностями современной вычислительной техники. Сущность ПРВТ сводится к реконструкции пространственного распределения линейного коэффициента поглощения рентгеновского излучения по объему объекта контроля в результате вычислительной обработки теневых проекций, полученных при рентгеновском просвечивании объекта контроля с различных направлений. В результате удается определить значение линейного коэффициента поглощения в любом выбранном слое. Обнаружение дефектов осуществляется оператором путем визуального анализа изображения отдельных плоских сечений объекта контроля – томограмм. Томограмма – несет информацию о распределении линейного коэффициента поглощения в конкретном сечении. Рентгеновская томография решает обратную задачу интероскопии. Она по объемной информации об интенсивности излучения, прошедшего сквозь объект контроля с различных направлений, позволяет определить распределение линейного коэффициента поглощения, связанного с плотностью материала внутри объекта контроля. В результате удается получить послойные изображения объекта контроля путем автоматической обработки множества изображений выбранного слоя изделия, сделанных под разными углами. Повышенный объем полученной информации и ее детализация достигается за счет использования большого количества первичных измерительных преобразователей, а также за счет сканирования объекта контроля путем движения его или комплекса первичных преобразователей. Большой объем информации потребовал написания специальных программ и использования мощных вычислительных машин.

Промышленные томографы в своем развитии прошли несколько поколений. Томографы 1 поколения. 4 2 Распределение интенсивности передается на компьютер, затем рамка поворачивается и операция повторяется. Поворот в одной плоскости 5 10 мин. Общая информация обрабатывается на компьютере и получается значение i в конкретной точки i. Томографы 2 поколения. Содержали несколько источников излучения и несколько детекторов. Томографы 3 поколения. До 600 детекторов расположенных на одном ложементе. Томографы 4 поколения. 1 3 6 5 Схема томографа 1 поколения. 1 – объект контроля; 2 – дефект; 3 – подвижная рамка; 4 источник излечения; 5 – индикатор; 6 – распределение интенсивности излучения. 1 2 3 4 Схема томографа 4 поколения. 1 – объект контроля; 2 – дефект; 3 – источник излучения; 4 – детекторы.

Время съемки (tсъемки) 5÷ 10 сек. Точность 0, 5% от толщины изделия. Минимальный размер регистрируемых пустот 0, 5 мм. Локальные дефекты 10 -3 ÷ 10 -8 от размеров изделий. Повышение толщины изделия ведет к повышению чувствительности. Используется широко для изучения изделий из композиционных материалов. Хорошо воспроизводит внутреннюю структуру толстых, неоднородных изделий сложной формы без взаимного наложения теней различных элементов структуры (интроскопия). Целесообразно использовать для контроля дорогостоящих изделий. Марки томографов: ВТ-200, ВТ-1000. Для последнего размер изделия 1000, = 450 мм. Тест 6. Вопросов 120

Лекция 24. Акустические методы контроля Классификация акустических методов Акустические методы контроля основаны на взаимодействии упругих колебаний (акустический полей) с изделием, регистрации результатов этого взаимодействия и их расшифровке. Особенность акустического метода в том, что используются упругие механические колебания, т. е. колебания упругой среды или ее части, возникающие под действием механического возмущения. Упругие или акустическое волны – механические возмущения, распространяющие в упругой среде. Частным случаем акустических волн является слышимый звук. Диапазон волн используемых в акустическом контроле - *. Название колебания, волны Инфразвук Звук* Частота, Гц Качественное определение Физический диапазон Условный диапазон Нижняя граница слышимости Ниже 16÷ 25 Ниже 20 Диапазон слышимости 16÷ 25 - (15÷ 20) 103 20 - 20 103 (15÷ 20) 103 до 109 20 103 - 1 109 Выше 109 Ультразвук* Выше границы слышимости Гиперзвук Длина волны меньше длины свободного пробега молекул

В акустическом контроле, как правило, применяются колебания с частотой от 50 Гц до 50 МГц, при этом интенсивность колебаний не более 1 Вт на 1 см 2. В акустическом контроле механические колебания возбуждают и принимают путем преобразования электрических колебаний в механические и обратно, используя пьезоэлектрические преобразователи. В основе работы пьезопреобразователей лежит прямой и обратный пьезоэффект. В зависимости от конструкции эти преобразования способны создавать различные типы акустических волн. При этом важнейшим вопросом является обеспечение акустического контакта между акустическим преобразователем и объектом контроля. Бесконтактные методы практически не используются. Акустические преобразователи необходимо перемещать (сканировать) по поверхности объекта контроля. Всего существует более 40 видов акустических методов контроля, которые делятся на две крупные группы: активные и пассивные. В свою очередь, каждая из этих групп подразделяется на методы, использующие при контроле бегущие волны или колебания. Классификация акустических методов дана ниже на рис.

Акустические методы контроля Акустические методы Основанные на приеме (пассивные) Основанные на излучении и приеме (активные) Колебаний Бегущей волны Импедансный Прохождения (Теневые) Комбинированные Метод отражения (Эхо) Свобод ных колеба ний Выну жденн ых колеб аний й Тен ево й (ам пли туд ны й) Вре мен ной тен ево й Ве лос им мет рич еск ий Зер кал ьно тен ево й Эхо скв озн ой Эхо мет од Эхо зер кал ьны й Де льт а мет од Рев ерб ера цио нн ый Ло кал ьн ый Ин тег ра лд ьн ый Ло кал ьно рез он ан сн ый Инт егр аль норез она нсн ы Бегу щих волн Аку сти коэми сси онн ый Мето д колеб аний Ви бра цио нно диа гно сти ческ ий Шу модиа гно сти чес кий

Акустические волны и их распространение При упругих колебаниях частицы среды не перемещаются в пространстве, а колеблются относительно некоторого положения равновесия. Методы акустического контроля используют волны малой амплитуды. Это область линейной акустики, в которой напряжения пропорциональны деформации (см. закон Гука). Причем в твердых телах акустическое поле имеет более сложный вид, чем в жидкости или газе, так как твердое тело имеет не только упругость объема, но и упругость формы (сдвиговая упругость). Движение волны для твердого тела описывается волновым уравнением, которое имеет следующие две формы записи: Где: - величина смещения, Ф – амплитуда, - угловая частота, (kx- t) – фаза, с – скорость звука, k – волновое число, х - путь. Где: - длина волны. Запись волнового уравнения в комплексном виде: Где: Re – реальная (действующая) часть комплексной функции. Для плоской волны это же выражение имеет вид:

Гармонические (монохроматические) плоские волны имеют одну частоту колебания и бесконечно протяженный плоский фронт. В акустическом контроле используют процессы, ограниченные во времени и пространстве, то есть вместо монохроматических колебаний используют акустические импульсы. Акустический импульс – ограниченный во времени колебательный процесс. Амплитуда колебаний в импульсе изменяется в соответствии с волновым уравнением от нуля до конечной величины. За длительность импульса ( ) обычно принимается время, в течение которого амплитуда превышает 0, 1 своего максимального значения. Пространственная длительность импульса: с. . В процессе распространения в реальных телах волны испытывают затухание и амплитуда их уменьшается обратно пропорционально расстоянию, пройденному вдоль луча. В результате чего волновое число становится комплексным: k = k’ + i Где: k’ – действительная часть, - коэффициент затухания. Где: I - интенсивность сигнала, прошедшего через материал. I 0 – интенсивность начального сигнала; х – путь волны. При акустическом контроле приходится сравнивать между собой амплитуды (интенсивности) акустических сигналов, которые различаются между собой в десятки раз. Для их сравнения введены логарифмические единицы – децибелы. Число децибел (N) на которые сигнал интенсивностью (I) или амплитуды (A) отличается от некоторого начального сигнала с интенсивностью Io и амплитудой Ao определяется как: В качестве эталона интенсивности берется величина Io = 10 -12 Вт/м 2. При этом звуковое давление считается равным 0.

Акустические свойства сред. 1. Скорость звука При заданном состоянии среды (Т, Р) скорость распространения акустической волны определяется формулой Где: с – скорость звука, К – модуль всестороннего сжатии, ρ - плотность. 2. Импеданс (волновое сопротивление). Акустический импеданс определяют как отношение комплексного звукового давления к объемной колебательной скорости. Для плоской гармонической бегущей волны распространяющейся в жидкой среде акустический импеданс равен: Где: Z – волновое сопротивление среды, v - скорость, P - давление, c – скорость звука. 3. Коэффициент затухания характеризует ослабление амплитуды плоской гармоничной волны, в результате взаимодействия со средой. Описывается следующим законом: Где: δ – коэффициент затухания; x - расстояние, которое прошла волна (величина обратная коэффициенту затухания показывает на каком пути амплитуда волны уменьшается в e раз).

Где: δп – коэффициент поглощения. Звуковая волна переходит в тепловую энергию. δр – коэффициент рассеивания. Энергия остается звуковой, но уходит из направленной распространяющейся волны. Рассеивание идет из-за неоднородности материала (на границе волокно – полимер в случае композиционных материалов). В гетерогенных материалах рассеивание очень велико. Звуковая волна отражается, преломляется и преобразуется из одного вида в другой. В газах и жидкостях коэффициент поглощения пропорционален квадрату частоты, в твердых телах (стекло, металл) коэффициент поглощения пропорционален частоте. Для многих полимеров и резин f 2 и даже f 3.

Виды акустических волн По соотношению направлений колебаний частиц и распространению волны их подразделяют на пять видов: ØПродольные; ØПоперечные (сдвиговые); ØПоверхностные: 1. Волны Релея; 2. Головные (за рубежом их называют ползучие волны); ØНормальные (волны в слоях и пластинах); ØВолны в стержнях (волны Похгаммера). Отдельно рассматриваются волны на границах двух сред. В неразрушающем контроле используются первые три типа волн. 1. Продольные и поперечные волны Они относятся к объемным волнам и различаются по соотношению направления движения волны и частиц материала. В случае продольной волны направление движения волны совпадает с направление движения частиц в материале. Поперечная волна или волна сдвига. В Это волна расширения – сжатия. ней направление колебания частиц перпендикулярно направлению движения волны.

В жидкостях и газах поперечные волны отсутствуют, наблюдаются только в твердых телах. Соотношения скоростей продольных и поперечных волн зависят от коэффициента Пуассона. При движении сдвиговой волны вдоль границы твердого тела, волну, в которой направление колебаний параллельно ограничивающей поверхности, называют горизонтально поляризованной. Волну, у которой движение частиц перпендикулярно поверхности, называют вертикально поляризованной. Продольную волну обычно создают с помощью преобразователя, вызывающего деформацию растяжения – сжатия. Поперечную (сдвиговую) волну обычно создают с помощью преобразователя, вызывающего деформацию сдвига. Эти типы волн наиболее часто используют для обнаружения дефектов типа несплошности. Причем лучше всего при нормальном (вертикальном ) попадании волны на их поверхность.

2. Поверхностные волны. 2. 1. Волны Релея Распространяются вдоль поверхности твердых тел. При распространении поверхностной волны частицы среды движутся, вращаясь по эллипсу с большой осью, перпендикулярной границе. Вытянутость эллипса с глубиной увеличивается. Это неоднородная волна Волна обладает слабым затуханием, поэтому распространяется на большое расстояние вдоль поверхности. Проникает внутрь тела неглубоко и на глубине равной λ энергия составляет 5%, а 1, 5λ = 0. Возбуждает с помощью продольной волны, наклонно падающей к поверхности. Поверхностные волны Релея применяют для выявления дефектов в близи поверхности. Глубоко залегающие дефекты не обнаруживаются.

Головные волны. Вдоль поверхности твердого тела распространяется волна со скоростью практически равной скорости продольной волны. Она является квазиоднородной, так как амплитуда вдоль фронта волны изменяется. В каждой точке поверхности, вдоль которой распространяется волна, возбуждается когерентная волна под углом θ, поэтому головная волна быстро затухает. Порождают головную волну с помощью продольной, падающей под определенным углом. Максимальная энергия излучения соответствует лучу, составляющему 10 – 150 с поверхностью. Головная волна почти не реагирует на поверхностные дефекты и неровности поверхности. В то же время с ее помощью можно обнаруживать подповерхностные дефекты в слоях, начиная с глубины 2 мм. Но ее нельзя использовать для тонких изделий, так как в этом случае появляются паразитные боковые поперечные волны.

Отражение и преломление акустических волн При попадании волны на границу двух полубезграничных сред волна частично проходит через границу, а частично отражается. При этом, как правило, происходит трансформация видов волн. В наиболее общем случае на границе двух твердых сред возникают две (продольная и поперечная) отраженные и две (продольная и поперечная) преломленные волны. Направление отражения и преломления волн определяется по закону синусов: Где: с, с´ – скорость акустических волн в соответствующей среде. Амплитуды прошедших и преломленных волн определяются коэффициентами прозрачности (D) и отражения (R). - коэффициент прозрачности; - коэффициент отражения.

Из закона синусов следует возможность существования нескольких критических углов, при которых один тип волн трансформируется в другой. Первая область углов существует, когда падающая волна продольная и Спрод < С´прод. При этом возникает неоднородная продольная волна (около 200). Вторая область критических углов наблюдается, когда также Спрод < С´прод. При этом падает продольная волна, а возникает преломленная поперечная (сдвиговая) волна (угол 20 ÷ 580). Третья область критических углов существует, если из твердого тела на его границу падает поперечная волна. При этом возникает неоднородная поперечная поверхностная волна (угол >580).

Излучение и прием акустических волн Для излучения и приема акустических волн, как правило, используют пьезоэлектрические преобразователи. Пьезоэлектричество – это явление возникновения электрической поляризации диэлектриков при их механической деформации. Чувствительным элементом является пьезоматериал, изготовленный в форме пластины. При подаче электрического сигнала на пластину происходит деформация пластины – обратный пьезоэффект. Если деформировать пластину, возникает электрический заряд – прямой пьезоэффект. Пьезоматериалы изготавливают из керамики – сегнетоэлектрики. В них существуют области спонтанной поляризации, подобно доменам в ферромагнетиках. В качестве пьезоматериалов используют: цирконат титанат свинца (ЦТС), титанат бария (ТБ). Основными характеристиками пьезоэлемента является: • Коэффициент электромеханической связи (β). Где: - пьезо константа, ρ – плотность, с - скорость звука. Коэффициент преобразования (К) Где: Ки – коэффициент при излучение, Кп – коэффициент приеме, Определяют Ки как отношение давления (механического напряжения) в излучаемой волне к электрическому напряжению, возбуждающего генератора, а Кп определяют как отношение электрического напряжения на приемнике к давлению (напряжению) падающей акустической волны.

• f 0 – рабочая частота. Полоса пропускания – частотный диапазон, в котором К уменьшается не более, чем на 6 децибел от максимального значения. Его определяют как: либо Полоса пропускания преобразователя оказывает влияние на длительность сформированных импульсов. Чем она шире, тем короче импульсы, что улучшает характеристики метода.

Спасибо за внимание