Лекция 27 Оптический контроль основан на взаимодействие светового

Лекция 27. Оптический контроль основан на взаимодействие светового излучения с объектом контроля и регистрации результатов этого взаимодействия. В оптических методах используют два подхода, основанные на: üЯвлениях геометрической оптики; üВолновых свойствах светового излучения, которые используют в методах голографии и интерферометрии. Оптические методы условно подразделяют на три группы: ØВизуально и визуально-оптический (с использованием приборов). Контроль осуществляется оператором. Является наиболее распространенным, но отличается большим субъективизмом; ØФотометрический, денситометрический, спектральный и телевизионный методы. Для их реализации используется измерительная аппаратура. Методы обладают меньшим субъективизмом. ØИнтерференционный, дифракционный, фазово-контрастный, поляризационный и голографический методы. В этих методах используются волновые свойства света, которые позволяют осуществлять контроль с точностью до десятых долей длины волны источника излучения.

Контроль осуществляют в отраженном, прошедшем и рассеиваемом излучении. Основной показатель – контраст изображения – перепад яркости на дефектном участке и окружающем дефект фоне. Где: Вф и Вд – яркость фона и дефекта [кд/м 2]. Источники света. К ним относятся: ØЛампы накаливания; ØЛюминесцентные лампы; ØГазоразрядные лампы виды разряда: дуговой, тлеющий, импульсный; ØСветодиоды; ØОптические квантовые генераторы (лазеры). Лазеры. В лазерах происходит процесс вынужденного (индуцированного) испускания фотонов возбужденными атомами или молекулами активной среды под воздействием фотонов излучения, имеющих ту же частоту. Особенность излучения лазеров состоит в том, что фотон, возникший при вынужденном испускании, идентичен фотону, вызвавшему его появление, по частоте, фазе, направленности и поляризации. Это приводит к следующим особенностям лазерного излучения:

Ø Ø Ø Основные свойства излучения лазеров: Высокая когерентность излучения в пространстве и во времени; Высокая монохроматичность излучения ∆λ=10 - 9 мм; Узкая направленность пучка (расхождение 0, 4´); Высокая концентрация потока мощности (до 1015 Вт/м 2) Способность фокусироваться в малом объеме (λ 3). Принципиальная конструкция лазеров. Состоят из трех основных узлов: излучатель, система накачки, источник питания. 1 – зеркало; 2, 4 – окна; 3 – активная среда; 5 – выпускающие зеркало; 6 – корпус; 7 – катод; 8 – источник питания; 9 – анод. Принцип работы: Система накачки предназначена для преобразования энергии источника электропитания в энергию ионизированной среды (3), а излучатель – для излучения накопленной энергии накачки, которая создается путем перевода активной среды (например гелий-неоновой смеси) в активное состояние за счет оптического резонатора (1, 5). Резонатор обеспечивает многократное прохождения излучения через активную среду с нарастанием мощности излучения. В нужный момент излучение выпускают через зеркало с отверстием на объект контроля. В гелий-неоновом лазере излучение возникает на длине волны 0, 63 мкм (красный свет) и 1. 15 мкм (ИК излучение).

Элементы оптических систем Главное назначение элементов оптической системы состоит в получении достаточного потока светового излучения, доставки его к объекту контроля и далее передачи его к индикатору. Важнейшие понятия в оптической системе: Ø Оптическая ось. Это линия, на которой располагаются центры преломляющих и отражающих поверхностей элементов системы. Ø Фокусное расстояние – расстояние от фокуса до главной точки, т. е. точки, где в плоскости перпендикулярной главной оптической оси, изображение совпадает с натуральной величиной объекта; Ø Разрешающая способность; Ø Светосила равна отношению освещенности изображения, полученного после объектива, к яркости предмета: Где: Кп- коэффициент пропускания объектива, определяет потери; Sa –площадь отверстия апертурной диафрагмы; f – фокусное расстояние. Элементами оптической системы являются: ØЛинзы; ØЗеркала; ØПризмы; ØФильтры; ØДиафрагмы; ØВолоконно-оптические световоды.

Волоконно-оптические световоды представляют собой тонкую нить ( 10 ÷ 20 мкм), состоящую из 2 -х оптически прозрачных слоев: сердечника и оболочки, причем оболочка толщиной 1 ÷ 3 мкм. Материалы оболочки и сердечника обладают разными коэффициентами преломления. У оболочки он меньше, чем у сердечника. Поэтому световой сигнал, введенный в световод, испытывает полное внутреннее отражение, не выходя через стенки. Кроме того, к элементам оптических систем относятся первичные преобразователи светового излучения. Они используются для преобразования невидимого излучения в видимое изображение, УФИ ИКИ или в электрический сигнал. Наиболее часто первичные преобразователи превращают видимое излучение в электрический сигнал. Они служат для создания автоматизированных устройств оптического контроля. К ним относятся: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, ФЭУ и передающие телевизионные трубки.

Визуальный контроль Ø Ø Ø Ø Ø Самый простой вид контроля. Чаще всего используется при осмотре крупногабаритных изделий простой формы. Позволяет обнаружить наиболее грубые дефекты, такие как крупные наружные трещины, сколы, отклонение формы и размеров. Для реализации этого методы используется только человеческий глаз. Условие наименьшей утомляемости глаза и его возможности: Желто-зеленый спектр излучения; Яркость 10÷ 100 кд/м 2; Поле зрение 125× 1500; Зона четкого видения 20; Разрешение глаза 5 -10´´; Время осмотра минимум 2 -3 сек; Время инерции 0, 1 сек; Разрешение глаза по яркости 10÷ 15 градации серого, а по цвету – до 200 оттенков; В наилучших условиях оператор обнаруживает контраст 0, 02 Кд. Технология контроля: v Проводят очистку поверхности; v Закрепляют объект контроля в определенном положении и устанавливают эталон; Оптимальный угол наблюдения: 30 – 60 о. При меньшем угле мал контраст дефекта, при большем угле возможность появления ложных дефектов; Оптимальное расстояние: 250 мм.

v. Обеспечивают специальный режим освещенности (прошедшие или рассеянное излучение). v. Осуществляют контроль. Минимальный размер дефекта должен превышать величину шероховатости рельефа поверхности минимум в три раза. Визуально оптический контроль Это контроль с использованием оптических средств: ØЛупы обеспечивают увеличение в 2÷ 20 раз. Для ряда объектов используются специальные телескопические лупы; ØМикроскопы обеспечивают увеличение до 2000 раз, а разрешение – 0, 5 мкм; ØЭндоскопы – это устройства, снабженные осветителем и оптической системой для осмотра внутренние поверхности объекта с полостями. ØМалогабаритные телевизионные камеры. Они решают задачи: дефектоскопии и изучения внутреннего строения сложных объектов (интероскопии). Разработаны миниатюрные телевизионные камеры. Но эндоскопы пока имеют меньшие размеры. Эндоскоп. 1 – корпус; 2 – осветительная система: лампочкам и оптическое волокно); 3 – объектив (обзорный жгут – набор волокон, по которым сигнал (изображение) от объекта контроля возвращается к наблюдателю).

Эндоскопы бывают гибкие и жесткие. Радиус изгиба должен быть не меньше пяти диаметров жгута. Число элементарных волокон до 106 на см 2. С точки зрения расположения оптических элементов, эндоскопы бывают: ØПрямые; ØБоковые; ØПанорамные; ØУгловые; ØРетроспективные (показывают изображение сзади). Жесткие эндоскопы близки к микроскопам. Наиболее универсальны гибкие. Но необходимо учитывать, что изображение имеет искажения по сравнению с реальным объектом. Основные недостатки: q Не создают электрического сигнала, что усложняет их внедрение в автоматизированные системы контроля; q Изображение характеризуется ограниченной разрешающей способностью (определяется диаметром световолокна) и мозаичностью изображения. Считается, что минимальный размер элемента изображения объекта контроля или дефекта, надежно выявляемого эндоскопом, соответствует удвоенному диаметру отдельного волокна жгута, передающего изображение.

Фотометрические методы контроля. Фотометрические методы основаны на измерение величин, характеризующих световое излучение, путем преобразования его в электрический сигнал (фоторезисторы) с последующей обработкой. При фотометрическом контроле измеряют вторичную освещенность, яркость, световой поток или интенсивность светового излучения, полученного после взаимодействия с объектом контроля. Как правило, он используется для контроля геометрических размеров изделий и их формы. Существует два основных способа: фотокомпенсационный или фотоследящий. Ø Фотокомпенсационный способ предполагает сравнение двух световых потоков один из которых частично закрывается объектом контроля, а другой специальной пластиной, положение которой при равенстве световых потоков определяет геометрические размеры объекта. Ø Фотоследящий способ состоит в перемещение с помощью следящей системы фотоэлектрического преобразователя отмечающего положение границы “свет-тень”, создаваемой при освещении объекта контроля и регистрации его размеров (геометрии) по положению преобразователя. Кроме того, существуют: ü ü ü Колориметрический; Спектральный; Денситометрический способы.

Интерференционные методы. Во всех интерференционных методах используется взаимодействие двух потоков света. Методы обеспечивают высокую чувствительность ~0, 1 , т. е. до долей длины волны. При этом особые требования предъявляются к условиям контроля. Должны отсутствовать: ØПылевые частицы; ØИспарения; ØНагретый или охлажденный воздух; ØМеханические колебания. К ним относятся методы: интерферометрический, дифракционный, фазово-контрастный, рефрактометрический, голографический. Они основаны на изменении энергии и фазы вторичных потоков света после их взаимодействия с объектом контроля. Наиболее распространенным методом контроля является голографический метод, так как визуальные методы субъективны. Голография – метод регистрации произвольных колебательных процессов, позволяющий зафиксировать как амплитуду, так и фазу колебания, а затем воспроизвести их в любой удобный момент времени. Фиксация фазы колебаний отличает голографию от других методов регистрации изображения (например - фотографии), которые регистрируют лишь величину накопленной энергии или амплитуду (интенсивность) колебаний.

Вся информация о форме объекта контроля содержится в сложной световой волне, рассеиваемой объектом контроля при его освещении. Голограмма позволяет зарегистрировать эту волну и, соответственно, информацию о форме объекта контроля в неизменном виде. Поэтому в дальнейшем форма объекта контроля в любой момент времени может быть воспроизведена с помощью голограммы и использована в качестве трехмерного шаблона, с которым можно сравнивать объект контроля, контролировать произошедшие с ним изменения. Голограмма – полученная определенным образом фотопластина, с запечатленными на ней интерференционными линиями, при освещении которой когерентными колебаниями формируются поток света, создающий видимое объемное изображение сфотографированного объекта контроля. Голографический способ неразрушающего контроля состоит из двух этапов: Первый этап состоит из двух операций: получения голограммы и восстановлении мнимого изображения объекта контроля. 2 2 1 7 4 1 3 а. Получение голограмм. 7 7 5 8 7 6 4’ 5 б. Восстановление изображения. Где: 1 – лазер; 2 – опорный луч; 3 – освещающий луч; 4 – объект контроля; 4’ – мнимый объект контроля; 5 – голографическая пластина; 6 – наблюдатель; 7 – зеркала; 8 - рассеянное излучение.

1. Получение голограмм: при регистрации голограммы рассеиваемые объектом контроля свет (8) попадает на голографическую пластину (5), расположенную на некотором произвольном расстоянии от объекта контроля. Сам свет мог бы только засветить пластину, но, смешиваясь со светом идущим непосредственно от источника излучения (2), он приводит к появлению интерференционных полос. Полученная интерференционная картина состоит из светлых и темных полос, которые фиксируются на пластине. Две интерференционные линии находятся на расстоянии Где: - угол между направлением освещающего и опорного лучами. 2. Восстановление изображения: при восстановлении изображения голографическая пластина освещается лучом от источника излучения (2). При этом тонкая структура полос на голограмме действует как сложная дифракционная решетка. В процессе дифракции света возникает световая волна, которая идентична волне, исходящей от объекта контроля. При этом наблюдатель, смотрящий сквозь голограмму, видит мнимое объемное изображение объекта контроля.

Второй этап состоит в использовании голограммы для обнаружения дефектов. Если голографическое изображение объекта наложить на неизменный объект контроля, то никаких изменений на голограмме не обнаружится. Если объект контроля сдвинется, либо деформируется, то на его поверхности появятся интерференционные полосы. Количество полос и место их расположения будет зависеть от места и степени деформирования объекта контроля. Существует два метода регистрации интерференционной картины при деформировании объекта контроля: 1. Метод «живых» полос. В этом методе объект контроля помещается на место мнимого изображения и нагружается внешней нагрузкой. При этом в местах, где появляются интерференционные полосы, наблюдается деформирование материала и можно предположить наличие приповерхностных дефектов. 2. Метод «замороженных» полос. В этом методе при получении голограммы половину экспозиции осуществляют при ненагруженном состоянии объекта контроля, а вторую при нагруженном. Важно, что и в том и другом методе в качестве эталона служит сам объект контроля. Как правило, интерференционные полосы появляются в месте, где под поверхностью находятся дефекты или произошло его пластическое деформирование в результате действия внешних либо внутренних напряжений. Метод позволяет обнаруживать приповерхностные дефекты типа пор, трещин, расслоений, а так же деформации материала, возникшие в процессе эксплуатации. Преимущества метода: безопасность и отсутствие необходимости обеспечения контакта с объектом контроля. Методы этой группы позволяют определять с высокой точностью (до 0, 1 ) геометрические размеры (диаметр, длину и т. п. ), в т. ч. волокон. Контролировать изделия в динамических режимах.

Тепловые методы контроля. Тепловой контроль основан на регистрации тепловых полей, температуры или перепада тепловых характеристик объекта контроля. Особенностью тепловых процессов является то, что они самопроизвольные, необратимые и всегда ведут к выравниванию температуры тела. Как правило, все виды энергии в природе в конечном итоге превращаются в тепловую. Теоретические основы тепловых методов. Тепловая энергия это энергия движения молекул. Обобщенная величина, характеризующая степень нагрева тела или вещества, это температура. Проявлением тепловой энергии является передача ее или распространение в пространстве. Обмен тепла между телами идет по трем механизмам: 1. Теплопроводность; 2. Конвекция; 3. Излучение. Теплопроводность – перенос теплоты на микро уровне за счет передачи колебаний от атома к атому, от молекулы к молекуле. Для металлов механизм теплопроводности электронный, а в случае полимеров механизм передачи тепла – фононный. Механизм теплопроводности характерен для твердых тел и жидкостей. Конвекция – перенос теплоты перемещающимися в пространстве частицами веществ, который характерен для жидкостей и газов. Тепловое излучение – передача тепла путем испускания коротких электромагнитных волн. Нижняя граница длин волн близка к радиоволновым процессам, а верхняя – к видимому излучению. Тепловое излучение распространяется в вакууме и скорость его равна скорости света. Теплопроводность и конвекция возможны только в конденсированном веществе.

Основные законы теплопередачи На практике при тепловом контроле обмен тепла между источником излучения и объектом контроля, внутри объекта контроля или от объекта контроля к индикатору может происходить по всем трем механизмам, но преимущественно это осуществляется по механизму теплопроводности и теплового излучения. При тепловом неразрушающем контроле возникает необходимость рассмотрения трех термодинамических задач: Ø Передача тепла от источника излучения к объекту контроля; Ø Теплопередача внутри объекта контроля; Ø Передача тепла от объекта контроля к первичному измерительному преобразователю. b a a 3 Процессы, происходящие при ИК контроле. 1 – источник излучения; 2 – объект контроля; 3 – индикатор, детектор; а, в – способы передачи тепловой энергии. Где а – излучение, в – теплопроводность. 2 3 Первые две задачи в реальных условиях неразрушающего контроля чаще сводятся к анализу процессов теплопроводности и конвекции, и могут быть описаны одним дифференциальным уравнением. Третья задача приводит к необходимости анализа теплопередачи путем теплового излучения (инфракрасного). Случай теплового излучения наиболее легко описывается при введении понятия абсолютно черного тела (АЧТ) – тела, которое полностью поглощает падающую на него энергию. А излучение абсолютно черного тела является функцией только его температуры. Причем основным его свойством является постоянство отношения спектральной плотности (его энергетической яркости) к спектральному коэффициенту поглощения (закон Кирхгофа):

Где: ε (λ, Т) коэффициент поглощения; Wλ – спектральная плотность энергетической яркости. Это свойство АЧТ основано на том, что для него коэффициент поглощения равен 1 для всех длин волн и температур. Следует отметить, что все тела с температурой больше 0°К, обладают электромагнитным излучением, вызванным движением их атомов и молекул. Спектр и интенсивность этого излучения зависят от температуры тела. Спектральное распределение излучения абсолютно черного тела выражается уравнением Планка Где: Т – абсолютная температура, К; λ – длина волны; Wλ – спектральная излучательная способность (энергия излучения АЧТ) в интервале длин волн dλ; =3, 74 х 10 -12 Вт х см 2 или 5, 944 х 10 -17 Вт х м 2 = 1, 44 см х град или 1, 4388 х 10 -2 м х К. h – константа Планка; с – скорость света; k – константа Больцмана.

Полное количество энергии, излучаемой абсолютно черным телом (лучевой поток), можно определить, интегрируя Wλ по λ, что приводит к получению уравнения Стефана-Больцмана: (Вт/м 2) Где: σ – константа Больцмана, которая составляет или 5, 6687 х 10 - 8 Вт/(м 2 х К 4). Реальные тела не полностью подчиняются законам поведения абсолютно черного тела. Для них вводится коэффициент лучеиспускания (ε), который зависит от свойств поверхности тела. Для реальных тел ε определяется отношением энергии, излучаемой данным телом, к энергии, излучаемой абсолютно черным телом при той же температуре (0<ε<1). Если лучеиспускание не зависит от длины волны, то тело называют «серым» . Тогда уравнение Стефана – Больцмана для реальных тел преобразуется в простой вид Где: ε (λ, Т) <1 – коэффициент излучения. = 0 1. Для АЧТ и серых тел ε (λ, Т) = α (λ, Т), где α – коэффициент поглощения. Отсюда следует, что коэффициент излучения равен коэффициенту поглощения реального тела.

Дрейфусом было показано, что спектральное распределение энергии излучения может быть приблизительно выражено уравнением, похожим на уравнение Стефана – Больцмана: Где: k – константа, а n приближается к 5 при а при λ=0, 5 λmax n=10. Это уравнение позволяет избавиться от неопределенности значения ε, которое сложно оценить для многих реальных тел. Закон Ламберта или закон косинусов позволяет определить величину потока излучения, отраженного идеально рассеивающей поверхностью, падающего на поверхность детектора, находящуюся на расстоянии d от излучателя площадью А: До сих пор рассматривали собственное излучение тела, обладающего некоторой температурой, но тело также может облучаться окружающей средой и в результате тело и среда будут обмениваться энергией и в результате должны находиться в термодинамическом равновесии. При взаимодействии тел между собой путем обмена ИК излучением наблюдается следующая картина. W – излучающая способность объекта контроля; W’ – излучение внешней среды

Тогда излучение объекта контроля будет равно: Суммарное излучение нагретого тела определяется: ØЕго температурой; ØИзлучательной способностью; ØПадающим на него внешним излучением. Поскольку в основе всех устройств, предназначенных для обнаружения, регистрации и измерения теплового излучения лежит использование суммарного излучения, то необходимо добиться разделения этих компонентов излучения и, по возможности, уменьшения влияния W’.

Прохождение ИКИ через атмосферу. Преимуществом инфракрасного излучения является то, что оно может быть использовано на расстоянии без создания контакта с объектом контроля. Однако следует учитывать особенность ИК излучения, котрая заключается в том, что при прохождении через атмосферу оно частично поглощается при определенной длине волн, а пропускание наблюдается при других длинах волн. Полосы прохождения – пропускания показаны на рис. 100% Рабочие полосы пропускания для аппаратуры ИК контроля. пр оп ус ка ни е 1, 5 2 3 4 5 8 10 14 15 20 , мкм Интервал 3 5 мкм и 8 14 мкм – рабочие полосы пропускания для аппаратуры ИК контроля. Основной причиной ослабления инфракрасного излучения является наличие паров воды в воздухе. Существенное преимущество ИК излучения заключается в том, что можно осуществлять контроль объекта контроля дистанционно.

Уравнение теплопроводности. Вторым механизмом переноса тепла, используемом при тепловом контроле, является теплопроводность. Перенос тепла внутри конденсированного тела описывается дифференциальным уравнением Где: Т – температура; x, y, z – направления; V – скорость распространения тепловой энергии; а – коэффициент температуропроводности; с. Т – теплоемкость; – коэффициент теплопроводности; ρ – плотность; - плотность теплового потока, где Q – общий тепловой поток, S - площадь. Данное уравнение в дифференциальной форме, для его решения, должно быть дополнено известными граничными условиями. Решая его для конкретных систем «источник излучения – объект контроля» , можно рассчитать распределение температур по объекту контроля, особенно по его поверхности, в зависимости от его формы, размеров, характеристик материала, а так же от наличия дефектов. Как правило, при этом конвекцией пренебрегают. Пока это уравнение решается для изделий простейших форм.

Лекция 28. Источники излучения (тепловых потоков): ØСобственное тепло объекта контроля, если его температура отличается от температуры фона; ØНагрев горячими веществами (пар, газ). В этом случае температура вещества должна быть точно измерена, что гарантирует определенный поток теплоты к объекту контроля; ØНагрев электрическим током возможен, если объект контроля выполнен из электропроводящего материала (УУКМ, углепластики из непрерывно волокнистых материалов); ØНагрев электромагнитными полями (печь СВЧ). Преимущество данного метода заключается в том, что тепло выделяется непосредственно в исследуемом объекте контроля. СВЧ – поля можно использовать для нагрева изделий из любых полимерных материалов, но более эффективен для полярных полимеров. Метод обладает очень высоким КПД. ØНагрев с использованием электроэнергии при использовании излучения в ИК диапазоне – специальные лампы накаливания. Недостаток этих ламп – высокий тепловой поток в видимом диапазоне, т. е. низкий КПД; ØНагрев электронным пучком большой интенсивности. Это локальный нагрев с высокой пространственной и временной точностью. Недостаток – реализуется только в вакууме. ØНагрев квантовым генератором, работающем в тепловом диапазоне. Это сложные устройства и используют их в специальных случаях – нагрев в локальном месте; ØНагрев Солнечной энергией.

Физические основы методов измерения температуры Количественно описать энергетическое состояние объекта позволяет температура, которая является непрерывной шкалой и линейно связана с численными значениями какого-либо физического свойства. Поэтому для определения температуры берут какие-либо две характерные точки, которые легко воспроизводятся. Обычно это температура фазового перехода однокомпонентных систем (например, точка кипения или затвердевания, (t 1 – t 2). За единицу шкалы принимают целую часть этого интервала. Где: N – число частей шкалы. Затем берут вещество, которое не меняет своего агрегатного состояния в интервале температур (t 1 – t 2) и для этого вещества выбирают некоторое свойство Е, называемое термометрическим (температурное/объемное расширение и т. п. ), при этом полагают, что это свойство линейно связано с температурой, т. е. Где: k – коэффициент пропорциональности, t – температура, E – некоторое свойство. После интегрирования получаем: Тогда уравнение имеет вид: Где: k, D – коэффициенты, получаемые из начальных условий Данное выражение носит название – уравнение температурной шкалы. С его помощью можно, по результатам измерения свойств Е при температуре t, определитm ее численное значение. Была создана международная практическая температурная шкала (МПТШ), которая основана на шести реперных точках, соответствующих фазовым переходам ряда веществ. Для определения температур между этими реперными точками используют эталонные приборы, например, платиновый термометр сопротивления (он работает при температурах от 0 до 630 о. С и от – 182 до 0 о. С).

1. 2. 3. Индикаторы тепловых полей: Индикаторы температуры (собственно термоиндикаторы); Первичные измерительные преобразователи теплового излучения. К первой группе относятся термоиндикаторы на основе термочувствительных веществ. К ним относят: Термоиндикаторы плавления; Термоиндикаторы меняющий цвет; Люминофоры. Термоиндикаторы плавления. Их изготавливают на основе веществ, которые меняют яркость или светоотражающие свойства (например, цвет от салатового до зеленого) при переходе из твердого в жидкое состояние (в основе – парафины, стеарины, некоторые полимерные материалы для более высоких температур). На основе этих веществ изготавливают термокарандаши, термолаки и термокраски. Термокарандаш – заостренная палочка для контроля конкретной температуры. Для контроля температуры объекта контроля с их помощью, на его поверхность наносится ряд точек. Термолаки, термокраски – находятся в жидком состоянии и содержат в своем составе термочувствительное вещество в виде суспензий или эмульсий. Их распыляют или наносят кистью на поверхность объекта контроля. Диапазон контролируемых температур от 36 до 254 С с погрешностью 1÷ 2 С.

Термоиндикаторы, меняющие цвет. В них использует химические или физические превращения приводящие к изменению физических свойств за счет изменений структуры; оптических характеристик и т. д. Общее для всех этих индикаторов то, что при достижении определенной температуры, цвет его меняется. Эти изменения могут быть обратимые и необратимые. Необратимые изменения удобны тогда, когда мы не можем наблюдать за объектом контроля в процессе нагрева. Точность определяемой температуры с их помощью составляет от 0, 1 до нескольких градусов Цельсия. Один из наиболее чувствительных индикаторов – жидкие кристаллы, которые наносят на само изделие, либо приклеивают пленкой. Они способны изменять окраску по всему спектру: от красного до фиолетового, при изменении температур на 1 градус Кельвина, что соответствует чувствительности 0, 1. Рабочий диапазон температур: 20 – 200 о. С. Фотоэмульсии чувствительные к ИКИ, обладают способностью накапливать во времени дозу излучения. В этом случае преимущество состоит в том, что получаем документ о характере нагрева объекта контроля, как в радиографии.

Люминофорные индикаторы. Их изготавливают на основе сульфида цинка или кадмия. Они изменяют цвет свечения и интенсивность в зависимости от интенсивности ИКИ, но при этом необходима подсветка ультрафиолетовым излучением. Рабочая температура: до 320 о. С. Преимущества термоинидикаторов: ØНаглядность; ØПростота; Недостатки: ØНизкая точность; ØСложность изучения динамических процессов; ØТрудность вторичной обработки полученной информации; ØНевозможно получить документ. Первичные преобразователи тепловых величин. Они формируют из поступающего теплового потока информацию для непосредственного использования оператором, либо для передачи вторичного сигнала. Эти преобразователи делятся на 2 группы: q. Термометры расширения; q Преобразователи, которые получают электрические сигнал или изменяют свои электрические параметры или формируют видимое изображение (Термопары, терморезистры, полупроводниковые приборы, электровакуумные приборы и пироэлектрические преобразователи).

Термометры расширения. В технике чаще используются манометрические (газовые) термометры, реже жидкостные. С их помощью получающие зависимости давления в замкнутом объеме термометрического вещества от температуры. Жидкостные термометры используют термическое расширение жидкостей, либо газов. Наибольшее распространение получили стеклянные. Основной недостаток обоих типов термометров расширения в том, что температуру определяются в ограниченном объеме (точке). Кроме того время срабатывания велико – минуты и десятки секунд. Рабочий диапазон температур (Траб) от -273 до 600 С. Преобразователи. 1. Термоэлектирческие преобразователи (Термопары). Они содержат спаи из 2 -х разнородных материалов. При нагреве спая, появляется ЭДС, которая монотонно возрастает с увеличением температуры. Следует учитывать, что величина ЭДС в широком интервале температур нелинейная и следовательно нужно вводить поправочный коэффициент. Инерционность термопар определяется временем их нагрева, которое может составлять несколько секунд. Для теплового контроля используются редко.

2. Термосопротивления (терморезистры). сопротивление в зависимости от температуры. Рабочие температуры (Траб) от -269 до 1100 С для платины. Полупроводниковые резисторы, предназначенные для регистрации потоков излучения, часто называют также фоторезисторами. Их изготавливают на основе сернистого свинца (типа ФСА). Они позволяют преобразовывать поток излучений видимого и ИК диапазонов в изменение сопротивления. Необходимо учитывать, что для фоторезисторов существует так называемая «красная граница» - это наибольшая длина волны, выше которой падающее излучение не приводит к изменению сопротивления. Скорость срабатывания 40 мкс. 3. Полупроводниковые приборы с p-n-p переходом (фотодиоды). Их основной недостаток в охвате узкого диапазона излучения. Марки: ФД-3, ФДК-1. 4. Электронно-вакуумные приборы. Используют внешний фотоэффект (фотоэлементы, фотоэлектронные умножители) или внутренний фотоэффект (электронно-лучевые трубки - ЭЛТ). 5. Электронно-оптические преобразователи (ЭОП). Эти приборы позволяют перенести невидимое ИК изображение на выходной экран, светящийся видимым светом. В них ИК излучение падает на фотокатод и вызывает эмиссию электронов, причем число вылетающих электронов тем выше, чем выше плотность теплового потока, падающего ИК излучения. Вылетающие электроны ускоряются и фокусируются на соответствующей точке выходного флуоресцирующего экрана, т. е. чем ярче поток, тем ярче светится экран. Эти преобразователи используют, когда необходимо оперативно получить видимое изображение в реальном масштабе времени непосредственно в зоне наличия ИК излучения и, обычно, без облучения объекта контроля. Но изображение сложно передать на большое расстояние.

6. Передающие электронно-лучевые трубки. Они основаны на использовании видиконов. В их основе лежит чувствительная к ИК излучению полупрозрачная пленка из металла с полупроводниковым слоем и высоким сопротивлением. Эти устройства позволяют получить видимое изображение объекта контроля без механического сканирования. Преимущество: получаем видео сигнал пригодный для вторичной обработки и высокое быстродействие. Имеют ограничение по длине волны регистрируемых излучений – 1, 5 мкм. 7. Пироэлектрические преобразователи. Они основаны на свойстве некоторых кристаллических диэлектриков (пироэлектриков) электризоваться при нагреве или охлаждении. Такие материалы работают в широком спектральном диапазоне (λ~14 мкм). Обладают высокой чувствительностью и малым временем срабатывания (0, 1 – 10 мк сек. ). Поскольку они срабатывают на перепад температур, то это позволяет их использовать для контроля температур в динамических режимах.

Аппаратура для теплового контроля Основным требованием считается необходимость контроля распределения тепловых величин по поверхности объекта контроля и безопасность контроля. На базе вышеприведенных преобразователей изготавливают следующую аппаратуру: ØТелевизионные системы (тепловизоры) на базе ЭОП; ØСканирующие радиационные пирометры. 1. Тепловизоры: В основе телевизионных систем лежит ранее описанный электронно-оптический преобразователь, который позволяет получить на экране телевизора видимое изображение объекта контроля. Они позволяют контролировать плотность теплового потока, причем изображение можно получить в цвете. Каждой температуре соответствует свой цвет. 2. Сканирующие радиационные пирометры. 1 2 3 4 Схема сканирующего радиационного пирометра. 1 – объект контроля; 2 – объектив; 3 – приемник излучения (пироэлектрик); 4 – блок обработки сигнала. Такой пирометр снимает температуру в конкретной точке объекта контроля. Для определения температуры по поверхности, он снабжается механическим устройством для сканирования. Аппаратура получила название сканирующие радиометры, термографы (приборы типа - термопрофиль). С их помощью удается получить информацию о температуре с частотой 25 строк в секунду, чувствительность – 0, 1 градус. Траб = 20 100 С.

Визуализация результатов контроля. Следует отметить, что инфракрасное излучение распространяется со скоростью света, т. е. практически мгновенно, поэтому скорость контроля с использованием теплового излучения определяется скоростью тепловых процессов в объекте контроля, либо инерционностью аппаратуры. Информация с помощью тепловой аппаратуры выводится, как правило, на экран в виде: ØЛиний (сканирующие пирометры); ØКартинок (тепловизоры). Получение Точечное сканирование поверхности; Получение термопрофиля; изображения на экране тпловизора От способа точечного сканирования поверхности к способу получения изображения на экране телевизора чувствительность метода падает, производительность растет. а

Тепловой контроль дефектов. Ø Ø Ø Тепловой контроль может быть реализован в двух вариантах: Пассивном: Активном. Пассивные методы используют теплоту самого объекта контроля, а в активных методах объект контроля нагревается внешним источником. Пассивный тепловой контроль, как правило используется для контроля тепловых режимов изделия, а также отклонения его физико-химических и теплофизических параметров и геометрических размеров. Он является относительно малоинформативным. Активный тепловой контроль, который осуществляется путем периодического нагрева или охлаждения объекта контроля, обладает более широкими возможностями и является более информативным. Активный тепловой контроль можно осуществлять при следующих тепловых потоках: Стационарном; Нестационарном. Нестационарный тепловой контроль реализовать сложнее, но его информативность значительно выше. Активный тепловой контроль позволяет обнаруживать в объекте контроля следующие типы дефектов: Несплошности; Инородные включения; Нарушения схемы армирования; Изменения физико-химических свойств. В зависимости от взаимного расположения источника теплоты, объекта контроля и термочувствительных индикаторов (аппаратуры), контроль подразделяют на: Односторонний; Двухсторонний; Комбинированный.

Стационарный режим. Это режим, при котором в объекте контроля устанавливается постоянный тепловой поток, который может быть задан точечным, линейным (нитевидным) или плоскостным источником нагрева, соответственно получают различный профиль температур по толщине объекта контроля. При нагреве в точке формируется сферический тепловой поток, при линейном – цилиндрический тепловой поток, а при плоском нагревании – линейный тепловой поток. 1 2 3 T Стационарный режим – используется при анализе многослойных изделий, когда температура двух сред одинакова, а слои обладают различными теплофизическими характеристиками. При установившемся тепловом потоке от многослойного изделия в случае стационарного режима по температуре его поверхности можно определить толщину и коэффициент теплопроводности слоев объекта контроля, а в ряде случаев по искажению теплового поля на поверхности обнаруживают дефекты (если коэффициент теплопроводности материала дефекта отличается от коэффициента теплопроводности материала слоя). Но последняя задача решается легче при нестационарном тепловом потоке.

Нестационарный режим. В нестационарном режиме при быстрых изменениях температуры, когда объект контроля не успевает полностью прогреваться (охлаждаться), необходимо анализировать дифференциальное уравнение, которое было приведено выше, с учетом производной по времени. При этом возможны две тепловые задачи: Тепловой поток изменяется скачком (апериодический режим), и объект контроля нагревается и охлаждается, стремясь к тепловому равновесию; Тепловой поток периодически изменяется, стремясь от максимума к минимуму и обратно. Обе задачи можно решить только в простейшем случае, т. е. когда объект контроля – бесконечный лист. Схематично это выглядит следующим образом: При нестационарном режиме объект контроля либо нагревается, либо охлаждается, при этом большое значение имеет скорость этого процесса. На рисунке показано распределение перепада температур по толщине бесконечной пластины через равные промежутки времени при охлаждении с разной скоростью. а , C т, Т То , C т, Т б 0 То , C т, Т в 0 То 1 1 2 2 3 4 5 а- скорость охлаждения малая; б – скорость охлаждения средняя; в – скорость охлаждения большая 1 2 0 3 4 5

Температура на поверхности при охлаждении спадает по закону близкому к экспоненциальному, а внутри температура снижается медленнее. T 1 – температура наружного слоя; 2 – температура промежуточного слоя; 3 – температура центрального слоя. T 0 3 2 TК 1 - параметр, характеризующий процесс охлаждения; δ – толщина; λТ – температуропроводность; t – время; Т 0 – температура нагретой пластины; Тк – температура среды; Как видно из приведенных графиков изменение температуры внутри тела запаздывает по сравнению с ее поверхностью. Эффект различного запаздывания температуры в зависимости от теплофизических свойств материала объекта контроля используется в тепловом неразрушающем контроле. Нестационарный режим можно осуществлять при синхронном и несинхронном контроле температур. Периодическое изменение потока теплоты приводит к периодическому изменению температуры в точках тела, на которые действует тепловой поток. Причем, изменение температуры в точках тела имеет относительно меньшее значение, чем изменение первичного теплового потока, и оно запаздывает по времени. Эти эффекты являются основой импедансных методов теплового неразрушающего контроля технологических свойств, геометрических размеров и теплофизических свойств покрытий.

Схематично вышеприведенные методы изображаются так: 2 1 2 2 1 3 Односторонний синхронный контроль. Где: 1 – источник, 2 – объект контроля, 3 – детектор. 1 Двусторонний синхронный контроль. Где: 1 – источник, 2 – объект контроля, 3 – детектор. 3 3 3 Одно- и двусторонний (несинхронный) контроль. Где: 1 – источник, 2 – объект контроля, 3 – детектор. Нестационарный несинхронный метод является наиболее сложным неразрушающим методом теплового контроля. При его реализации движущийся объект контроля нагревается с поверхности на небольшом участке, а температура его поверхности контролируется с помощью первичного преобразователя, смещенного в пространстве относительно источника нагрева. Сигнал о дефекте в этом методе проявляется в виде перепада температур вдоль внешней или внутренней поверхности объекта контроля, а также в виде импульсного возрастания температуры на некотором расстоянии от места нагрева.

• • • В случае дефекта при нестационарном контроле на поверхности объекта контроля фиксируется перепад температур, величина которого определяется: Температуро- теплопроводностью материала; Толщиной объекта контроля; Глубиной залегания и размерами дефекта; Теплофизическими характеристиками материала дефекта; Скоростью движения объекта контроля. Тепловой контроль при местном нагреве: ИИ 1 То 3 Т 2 Т 4 Т 1 2 4 Т 3 ИИ – источник излучения; Тв – разность температур на верхней поверхности; Тн - разность температур на нижней поверхности ( Тв Тн). Тв Тн В случае наличия дефекта (например, воздушной среды, которая является изолятором), над дефектным участком со стороны нагрева температура будет выше, чем над бездефектным, а под дефектным участком – ниже. Причем, разность температур со стороны нагрева дефектного и бездефектного участков больше этой разности с противоположной стороны, т. е. тепло в объекте контроля распространяется в соответствии с дифференциальным уравнением.

В зависимости от глубины залегания дефекта ΔТ меняется следующим образом Зависимость разности температур на дефектном и бездефектном участках от глубины залегания дефекта со стороны облучения и противоположной стороны. Tв Tн Т 1 (Т 3) Т 2 (Т 4) опт В силу разной теплопроводности материала разность температур на дефектном и бездефектном участках после нагрева сначала увеличивается, а затем уменьшается, т. е. появляется импульсное возрастание температуры на некотором расстоянии от места нагрева. Поэтому для тепловых методов контроля существует оптимальное время контроля, при котором наблюдается максимальная разность температур над дефектом. Причем, ΔТ зависит от теплопроводности материала, дефекта, температуры нагрева (60 ÷ 80°С), скорости нагрева, температуры окружающей среды, глубины залегания дефекта, времени контроля.

Таким образом, признаком дефекта является локальный температурный перепад. Тепловым методом выявляются следующие дефекты: ØРасслоение; ØНепроклеи, в т. ч. в сотовых конструкциях; ØКрупные поры; ØНарушение схем армирования. Особенности теплового контроля: q Отсутствуют четкие границы у изображения дефекта. q Чувствительность метода тем выше, чем меньше глубина залегания дефекта (ΔТ ↑). q Существует оптимальное время проведения контроля (τопт), причем, для металлов оно составляет секунды – десятки секунд, а для полимеров - десятки секунд – минуты. Для настройки тепловой аппаратуры используются настроечные образцы с искусственно заложенными дефектами. Для получения документа о наличии дефекта используют бумажные носители, на которые распечатывают изображения объекта контроля. Кроме обнаружения дефектов, тепловые методы контроля используются для оценки теплофизических характеристик материала – температуро-, теплопроводности, теплоемкости. С их помощью можно определять геометрические размеры изделий (как правило, толщины), если присутствует перепад температуры между объектом контроля и фоном. Также можно измерять габаритные размеры объекта контроля. Важное преимущество метода заключается в том, что он осуществляется дистанционно. Метод безвредный.

Примеры использования тепловых методов контроля для обнаружения дефектов: Кривые изменения температурных перепадов над расслоением в углепластике толщиной 2, 5 мм при различной глубине залегания дефекта. Нагрев 10 секунд, диаметр дефекта 10 мм, толщина – 0, 3 мм. ΔТ, 0 С 0. 5 mm 35 30 25 20 15 10 5 Графики зависимости разности температур от глубины залегания дефекта в углепластике при диаметре дефекта 10 мм и толщина 0, 3 мм. Время нагрева – 10 сек. 1. 0 mm 1. 5 mm 2. 0 mm 20 , c 40 Кривые изменения температурного перепада в области отслоения пленочного покрытия от подложки в условиях ступенчатого нагрева при различной толщине расслоения. T/To 4. 5 мкм 10 -1 2. 5 мкм 10 -2 0. 5 мкм 10 -3 10 -2 , c

Температурные рельефы над воздушными включениями в винипласте, полученные с помощью ИК-пирометра при тепловом потоке и скорости T/Tбез. деф 50 с 1. 4 1 0. 6 х, мм Зависимость относительного изменения температуры в областях расслоения пленочного покрытия от подложки через различные промежутки времени. Как видно из последнего графика, тепловой метод контроля позволяет обнаруживать дефекты, находящиеся на разной глубине, что является основой для метода тепловой томографии.

Тепловая томография. Под этим термином понимают два принципиально различных направления в послойном синтезе внутренней структуры объекта: проективную и динамическую. Проективная компьютерная томография. В ней используется прямолинейное лучевое распространение ИК излучения. Этот метод может быть использован только для прозрачных объектов контроля. Метод применим только для томографии диэлектриков, в первую очередь для оптических деталей. Для твердых тел проективная томография неприемлема, т. к. тепловой поток распространяется в изделии в соответствии с дифференциальным уравнением теплопроводности. Он имеет свои особенности: ØБыстро затухает; ØНаблюдается длительная задержка получения информации о дефекте. Динамическая тепловая томография основана на том, что данные о температуре поверхности объекта снимают через определенные промежутки времени. l 1, l 2, l 3 – глубина залегания дефекта. τ1, τ2, τ3 – время проявления дефектов.

Модель представляет собой объект контроля с тремя дефектами, расположенными на разной глубине. В случае режима активного теплового контроля для каждого дефекта будет свое оптимальное время контроля. На экране тепловизора в моменты времени τ1, τ2, τ3 будет видна картина распределения дефектов, но с различными оптимальными временами их фиксации и различными разностями температур. После компьютерной обработки на экране в моменты времени τ1 τ2 τ3 будут видны соответствующие слои изделия с дефектами, т. е. можно получить послойные изображения объекта контроля Алгоритм тепловой томографии предусматривает накопление пакета томограмм изделия в процессе контроля, которые сохраняются в памяти ЭВМ. Причем разновременные томограммы являются аналогами разноракурсных изображений в обычной томографии. После обработки полученной информации собирают изображение предполагаемых дефектов, для которых выбранная разница ∆T лежит в заданном приделе τ ± ∆τ.

Полученные изображения представляют собой тепловые изображения объекта контроля в некотором слое, лежащем на глубине li ± Δl. В силу однозначной зависимости полученное изображение представляет собой тепловые томограммы изделия на которых видны дефекты находящиеся в пределах выбранного слоя. Число слоев может быть 10 и более (до 40 слоев). Однако, тепловая томография не может обнаруживать дефекты, находящиеся друг над другом и перекрывающие друга по площади. Тест 8. Вопросов 54

Спасибо за внимание