« Министерство образования и науки Украины Сумский государственный университет ...»

Таким образом, двухканальное устройство, построенное в соответствии с функциональной схемой, изображенной на рис. 2.9, имеет повышенную чувствительность за счет сравнения сигналов эталонного и контролируемого объектов или за счет наличия усиления приращения сигналов огибающей СВЧ-колебаний по переменному току. Использование модуляции прямоугольными импульсами и применение фазового детектора ФД является типичным и дает возможность повысить чувствительность и определить знак приращения контролируемого параметра.

Устройство с двумя каналами (см. рис. 2.9) позволяет определить изменения толщины, магнитной и диэлектрической проницаемостей, удельной электрической проводимости, а также определять наличие неоднородностей в объекте. Радиоволновой контроль с помощью этого устройства может производиться тремя различными способами: абсолютными измерениями параметров контролируемого объекта, относительными измерениями (контроль отклонения в поле допуска) путем сравнения с эталоном или образцовым объектом (этот режим был описан ранее) и путем самосравнения двух разных участков контролируемого объекта, что характеризует высокую универсальность этого устройства, а также обеспечивает высокую стабильность нуля и возможность реализации высокой чувствительности за счет усиления сигналов по переменному току. Однако такое устройство не дает возможности вести радиоволновой контроль с учетом фазы пришедших СВЧ-сигналов, что снижает его информационную способность. Такую обработку можно производить, если до выпрямления СВЧ-сигналов использовать тройник, где будет происходить их сложение с учетом фазы.

Функциональная схема простейшего варианта устройства для радиоволнового контроля по прошедшему излучению с учетом амплитудных и фазовых характеристик СВЧ-сигналов, используемая для дефектоскопии, приведена на рис. 2.10 (основные обозначения соответствуют рис. 2.9). Это устройство содержит два одинаковых простых Т1 и Т2 тройника, что позволяет разделить излучаемую энергию на два потока, а затем сложить полученные СВЧ-сигналы.

Рассмотренные устройства позволяют решить большинство практических задач, доступных для контроля по прошедшему излучению.

Рис.  122021. Функциональная схема амплитудно-фазового СВЧ-прибора

2.6.6 Параметрические методы контроля

Параметрические (резонансные) методы радиоволнового контроля сводятся к тому, что контролируемый объект помещается в резонатор, волновод или длинную линию и по изменению параметров этих элементов (резонансная частота, добротность, распределение поля и др.) определяют качество объекта. С помощью параметрического метода возможен контроль геометрических характеристик различных объектов, электромагнитных свойств материалов и наличия неоднородностей в них. Параметрические методы позволяют испытывать вещества в любых агрегатных состояниях (твердые, жидкие, газообразные, плазма). Радиоволновой контроль геометрических размеров различных изделий из материалов с хорошей проводимостью возможен только относительно поверхностей, к которым возможен доступ, т. е. наружных и некоторых внутренних. Примеры выполнения объектов такого контроля иллюстрируются на рис. 2.11 и 2.12.

Рис.  132223. Контроль геометрических размеров и физико-химических свойств: а – объемным резонатором; б – волноводом; в – открытым резонатором

Протяженный контролируемый объект КО (например, труба или пруток) можно помещать в полость объемного резонатора Р или волноводный тракт В. Если объект помещен в полость резонатора Р (рис. 2.11 а), то он изменяет его рабочий объем (резонансную частоту) или создает дополнительные потери энергии (уменьшает добротность). Для металлических изделий основным является изменение частоты, что дает возможность производить контроль внешнего диаметра трубы , прутка и т. п. В случае, когда труба изготовлена из диэлектрического материала, влияющими факторами являются все геометрические размеры трубы (внешний и внутренний диаметры, толщина) и электромагнитные параметры (диэлектрическая и магнитная проницаемости, удельная электрическая проводимость ). По схеме рис. 2.11 а можно организовать радиоволновой контроль изделий в технологическом потоке.

При контроле изделий в виде коротких труб можно их включить непосредственно в СВЧ-тракт (рис. 2.11 б). В таком варианте труба может рассматриваться как отрезок волновода или длинной линии с определенными параметрами, приводящими к изменению характеристик отраженной волны. Для лучшего согласования волноводного тракта с отрезком трубы участки волноводов ПВ и ОВ выполнены специальной формы, плавно сопрягаемой с поперечным сечением трубы КО, а на их краях для снижения затекания токов на внешнюю поверхность волноводов ПВ и ОВ выполнены короткозамкнутые четвертьволновые участки КП1 и КП2. Определенный режим работы измерительного участка волновода обеспечивает отрезок волновода ОВ, который нагружен на короткозамкнутую секцию с настроечным поршнем НП (рис. 2.11 б) или на согласованную нагрузку для получения режима бегущей волны. На рис. 2.11 в показан объект в виде диэлектрического покрытия на металлическом основании. Одной из стенок резонатора Р в этом случае служит металлическое основание, в котором использован СВЧ-генератор с частотной модуляцией (качающаяся частота). В качестве первичного преобразователя в нем применен измерительный резонатор, резонансная частота которого зависит от толщины покрытия и его диэлектрических параметров. По смещению резонансной частоты находят контролируемую величину.

Успешно используются параметрические радиоволновые методы при контроле уровня и количества жидкостей или летучих веществ. В этом случае отрезок волновода или длинной линии обычно запаивается с одного конца, с другого – подключается измерительная аппаратура, а жидкость или газ вводятся сбоку через специально предусмотренное отверстие, которое не должно существенно влиять на параметры СВЧ-тракта.

С помощью резонатора Р или отрезков волноводов В (рис. 2.12) можно проводить контроль электромагнитных свойств различных веществ. При этом твердые тела непосредственно помещают в объем резонатора или волновода (рис. 2.12 а), а жидкие, сыпучие и газообразные вещества предварительно загружают в дозирующие ампулы (рис. 2.12 б) или пропускают по специально предусмотренным трубкам.

а б

Рис.  142425. Схема контроля физико-химических свойств: а – твердых тел; б – жидкостей

Параметрические радиоволновые методы дают возможность обнаруживать лишь довольно грубые неоднородности (дефекты), такие как, например, металлические включения в диэлектрике, и вследствие этого имеют ограниченную область применения, исключение составляют дефектоскопы, построенные на принципах ядерных магнитных резонансов.

Контроль по одному параметру имеет довольно ограниченные возможности и часто не позволяет получить большую точность и достоверность, в связи с этим многопараметровый контроль применяется в двух случаях: требуется измерить один параметр независимо от других величин и необходимо определять несколько параметров у контролируемого объекта одновременно или поэтапно.

2.6.7 Визуализация радиоволновых полей

Визуализация (получение видимых изображений) распределения физических величин, характеризующих электромагнитное СВЧ-поле (плотности энергии, напряженности электрического или магнитного поля, их компонент и т. д.), необходима для изучения внутреннего строения сложных изделий (интроскопия, радиовидение) и для высокой производственной дефектоскопии объектов больших размеров (по сравнению с длиной волны и раскрывом антенн). В результате визуализации получают видимое радиоизображение, анализ которого дает возможность увеличить скорость контроля, облегчает расшифровку результатов для изделий различной формы.

Радиоизображение можно получить путем развертки (последовательный поэлементный анализ) или сразу во всех точках двухмерной картины (анализ в реальном масштабе времени).

Наиболее простым в конструктивном отношении примером устройства для визуализации распределения СВЧ- или тепловых излучений является радиовизор, который позволяет проводить наблюдения полей в плоскости его экрана в реальном масштабе времени. Положенный в его основу принцип преобразования интенсивности падающего на экран излучения в тепловую энергию, подогревающую люминофор, обеспечивает широкий спектральный диапазон его работы.

Основной элемент радиовизора (рис. 2.13) – люминесцирующий экран ЛС с нанесенным на него с внешней стороны тонким слоем металла СМ, который является неселективным преобразователем СВЧ- и инфракрасного излучения в тепловой рельеф. Экран ЛС с внутренней стороны равномерно освещается ультрафиолетовым светом лампы УЛ, интенсивность которого выбирается в зависимости от среднего уровня падающего излучения путем подбора мощности питания УЛ регулировочными элементами РЭ. Прошедшее или отраженное излучение от контролируемого объекта падает на слой СМ, в значительной степени поглощается им и создает на поверхности люминесцентного слоя ЛС различную температуру в зависимости от энергии, попадающей на данный участок. Яркость свечения люминофора зависит от его температуры и по яркости свечения экрана радиовизора судят о свойствах контролируемого объекта КО, облучаемого от источника излучения ИИ.

Рис.  152627. Схема устройства радиовизора

Радиовизор является широкополосным устройством, дает наглядную картину распределения плотности энергии электромагнитного поля, прост в обращении и успешно используется для радиоволнового и теплового контроля. Неудобством при работе с ним является невысокая чувствительность, небольшие размеры изображения и то, что результаты контроля зависят от опыта оператора.

Получение изображения в реальном масштабе времени возможно также с помощью жидких кристаллов и фотоэмульсий (фотопленок), которые восприимчивы к тепловому действию СВЧ-излучения.

Средства визуализации СВЧ-полей могут быть применены так же для получения и анализа интерференционных картин и голографических изображений [1; 5; 6].

РАЗДЕЛ 3 ОПТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ42331

3.1 Общие вопросы оптического контроля

Оптические методы диагностики материалов основаны на взаимодействии светового излучения с контролируемым объектом и регистрации результатов этого взаимодействия [1–8]. Методы, характерные для оптического контроля, используют электромагнитное излучение диапазона длин волн в вакууме от до 103 мкм ( Гц) и охватывают ультрафиолетовое (УФ), видимое (ВИ) и инфракрасное (ИК) излучения. При этом объединяются они между собой общностью применяемых методик, способов и приемов проведения контроля. В большинстве вариантов контроля длина волны света мала по сравнению с геометрическими размерами деталей, элементов и дефектов контролируемых объектов, что позволяет использовать при анализе взаимодействия излучения с объектом методы геометрической оптики. Вместе с тем в ряде случаев (обнаружение дефектов малых размеров, контроль тонких пленок, испытания голографическими и интерференционными методами и др.) применяются методы, характерные для анализа волновых процессов [9]. В этой части методы оптического контроля близки методам радиоволнового контроля, аналогичны и величины, несущие полезную информацию.

Оптические методы контроля качества можно условно разделить на три группы:

1. Визуальный и визуально-оптический методы характеризуются тем, что результаты контроля в наибольшей степени определяются личными качествами оператора: его зрением, умением и опытом. Визуальные методы контроля качества – наиболее доступны и просты, поэтому имеют большое распространение.

2. Фотометрический, денситометрический, спектральный и телевизионный методы в основном строятся на результатах аппаратурных измерений и обеспечивают меньшую субъективность контроля, их применение по составу контрольно-измерительных операций ближе к работе с электронно-измерительными приборами.

3. Интерференционный, дифракционный, фазовоконтрастный, рефрактометрический, нефелометрический, поляризационный, стробоскопический и голографический методы используют волновые свойства света и позволяют производить неразрушающий контроль объектов с чувствительностью до десятых долей длины волны источника излучения.

С помощью оптических методов можно контролировать объекты из материалов, прозрачных и полупрозрачных для светового излучения. Если же материал объекта непрозрачен, у такого объекта можно проверять состояние внешних и внутренних поверхностей или размеров. В зависимости от свойств материала контролируемого объекта оптический контроль осуществляется в отраженном, прошедшем или рассеянном излучении, а в необходимых случаях и при комбинированном освещении. Параметры источников света (интенсивность, спектр, направление, поляризация и т. д.) выбирают исходя из конкретных условий, чтобы обеспечить максимальный контраст изображения. Во всех случаях желательно иметь в помещении общее освещение, создающее освещенность не менее 10 % от используемого местного освещения. При этом используют понятие контраста изображения дефекта: нормированный перепад яркости на дефектном участке и окружающем дефект фоне, т. е. отраженного или прошедшего сквозь материал контролируемого объекта света:

, 43444

где – яркость изображения дефекта и фона, кд/м2.

3.1.1 Общие правила по технике безопасности и охране труда

Оптический контроль происходит при повышенной нагрузке на глаза оператора, что надо учитывать при его организации. Особую опасность могут представлять источники, несущие концентрированные потоки световой энергии, в первую очередь оптические квантовые генераторы – лазеры [ 21–xxii]. Поэтому работа с лазерными установками, особенно при значительных мощностях, должна производиться в специальных помещениях с использованием защитных очков со светофильтрами, задерживающими большую часть излучения, и при экранировании наиболее опасной части установки. Следует помнить, что наиболее опасно облучение глаз, они поражаются излучением квантового генератора настолько быстро, что при облучении трудно принять защитные меры и их в случае опасности необходимо предусмотреть заранее. Максимально допустимые уровни плотности потока мощности в зависимости от типа лазера, длины волны и режима работы оператора составляют для кожи 0,1 Дж/см2, а для глаз – 0,002–1,0 мкДж/см2.

В качестве индивидуальных средств защиты персонала, работающего с квантовыми генераторами, могут быть применены: защитные очки, специальная одежда и перчатки, а также кремы (с двуокисью титана и цинка) для дополнительной защиты кожи лица и рук. Повышенное внимание при больших мощностях лазерного излучения, хотя бы и импульсных, надо уделять противопожарной безопасности.

3.2 Источники света

В неразрушающем контроле качества под источником света понимают излучатель электромагнитных колебаний в оптической части спектра: инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой. Для получения световых потоков используют электрические лампы накаливания, газоразрядные и люминесцентные, светодиоды и оптические квантовые генераторы [22 –xxiiixxivxxvxxvi]. В оптическом контроле качества наибольшее распространение в настоящее время получили лампы накаливания в специальном исполнении и оптические квантовые генераторы.

1. Лампы накаливания испускают свет за счет нагрева электрическим током проводника в виде спирали из тугоплавкого материала, которая смонтирована в колбе, заполненной инертным газом (криптон, ксенон) или вакуумирована (до  мм рт. ст.). Лампы накаливания отличаются разнообразием конструкций и областей применения, электрическими параметрами и мощностью, спектральным составом, удобством в использовании и простотой обслуживания, что определяет широкое распространение их среди источников света. Недостатком ламп накаливания является сравнительно небольшой срок службы, который ограничивается испарением металла нити накаливания, а также малым КПД.

Галогенные лампы обладают большой световой отдачей в видимом диапазоне света, имеют большой срок службы и применяются для создания больших световых потоков в проекционных аппаратах, микроскопах и др. Такие лампы для оптических приборов изготавляют обычно на небольшие напряжения источника электропитания (6 – 24 В), чтобы использовать нить накаливания небольших размеров и улучшить однородность создаваемого светового потока.

2. Газоразрядные лампы используют световой эффект, появляющийся при возникновении электрического разряда в газах или паpax. В газоразрядных лампах разной конструкции и мощности используют различное давление газа или пара в колбе и различные виды разряда: дуговой, тлеющий или импульсный. Эти лампы имеют высокую световую отдачу и большой срок службы.

Наибольшее распространение для организации общего освещения производственных помещений и лабораторий получили люминесцентные лампы. Они представляют собой газоразрядные лампы низкого давления, в которых ультрафиолетовое излучение паров ртути преобразуется люминофором, нанесенным на внутреннюю поверхность цилиндрической колбы, излучение видимого света, близкого к естественному дневному свету. Спектр излучения газоразрядных ламп близок к линейчатому.

3. Светоизлучающие диоды являются малогабаритными полупроводниковыми источниками инфракрасного или видимого света, обычно близкого к монохроматическому (красный, зеленый, голубой и др.). Они построены на основе полупроводниковых материалов, легированы малыми количествами примесей, специально подбираемых для получения света необходимой длины волны. Светоизлучающие диоды имеют такие же преимущества, как и элементы полупроводниковой техники. Они создают потоки небольшой величины и используются поэтому только в некоторых малогабаритных устройствах.

4. Оптические квантовые генераторы (лазеры) [22] представляют собой источники света, работающие на базе процесса вынужденного (стимулированного, индуцированного) испускания фотонов возбужденными атомами или молекулами под воздействием фотонов излучения, имеющих ту же частоту. Оптические квантовые генераторы создаются на базе различных активных сред: газообразной, жидкой или твердой. Они могут давать излучение в весьма широком диапазоне длин волн – от 100 нм (ультрафиолетовый свет) до 1,2 мкм (инфракрасное излучение) – и могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме.

Лазер состоит из трех принципиально важных узлов: излучателя, системы накачки и источника питания, работа которых обеспечивается с помощью специальных вспомогательных устройств.

В оптическом контроле качества лазеры могут применяться как источники узкого монохроматического пучка света при решении контрольно-измерительных задач, для чего требуется повышенная точность, но главные области их применения, где они незаменимы, связаны с использованием волновых свойств света – интерференции, дифракции и т. д.

3.3 Основные оптические элементы и устройства

В практике оптического контроля качества применяют различные элементы и устройства, образующие наиболее важный узел оптико-электронных приборов и блоков оборудования – оптическую систему [22–25]. Главным назначением оптической системы является получение достаточного потока световой энергии полезных сигналов или четкого изображения исследуемого объекта. Одним из центральных понятий для оптической системы является понятие «оптическая ось» – линия, на которой располагаются центры преломляющих или отражающих поверхностей элементов системы. Если центры всех элементов системы находятся на оптической оси, она называется главной. Детали изображения, расположенные около оптической оси, получаются наиболее четкими.

Оптическая система может состоять из различных элементов: линз, зеркал, призм, фильтров и др. при различных сочетаниях и в зависимости от конкретного ее назначения. Она характеризуется фокусным расстоянием, разрешающей способностью, светосилой, углом поля изображения (зрения) и др.

Фокусным расстоянием системы (передним или задним) называют расстояние от фокуса до главной точки, т. е. точки, где в плоскости, перпендикулярной главной оптической оси, изображение совпадает с его натуральной величиной. Если среды объектов и изображений имеют одинаковые оптические свойства, то переднее и заднее фокусные расстояния равны. Фокусы системы соответствуют изображению бесконечно удаленной точки.

Разрешающей способностью оптической системы называют минимальное расстояние между простыми различаемыми элементами объекта, близко расположенными в пространстве. В оптике разрешающая способность обычно измеряется числом линий, различимых на длине в 1 мм.

1. Линзой называют деталь, изготовленную из полированного прозрачного для пропускаемого излучения материала, ограниченного криволинейными полированными поверхностями. В зависимости от формы и положения фокуса линзы бывают собирающие, рассеивающие и специальные. Фокусное расстояние линзы определяется ее геометрией и материалом. При построении изображения, создаваемого линзой (простейшим однолинзовым объективом) используют свойства прохождения световых лучей сквозь линзу: лучи, идущие параллельно главной оптической оси, после линзы проходят через точку фокуса, а лучи, проходящие через центр линзы, не преломляются, если линза тонкая.

В объективе, состоящем из нескольких линз, получение изображения и расчеты его характерных точек делаются последовательно.

Изображение, получаемое на выходе оптической системы, относительно изображения объекта имеет различные искажения, называемые аберрациями. Аберрации могут быть геометрическими и хроматическими, обусловленными неодинаковым прохождением света различных длин волн.

Геометрические аберрации возникают из-за использования широких или наклонно падающих пучков света (сферическая аберрация, кома, астигматизм, дисторсия) и приводят к размытию и искажению формы изображения объекта, изменению расстояний и углов между элементами изображения. Сферическая аберрация состоит в получении вместо точки изображения в виде кружка рассеяния, кома – в виде вытянутого и неравномерно освещенного пятна, напоминающего комету. Астигматизм приводит к получению эллиптического изображения вместо кружка, а дисторсия – к искривлению прямых линий, в результате чего квадрат имеет подушкообразную или бочкообразную форму.

Хроматические аберрации проявляются при изменении длины волны монохроматического света или при использовании света сложного спектрального состава, например белого. Причина хроматических аберраций – дисперсия света, т. е. зависимость оптических свойств материала (показателя преломления вещества, затухания и др.) элементов оптической системы от длины волны света. В результате хроматических аберраций изображение размывается, и в плоскости изображений образуются радужные полоски.

Для уменьшения аберраций ограничивают поле зрения диафрагмами, применяют линзы из тонких и качественных материалов, а объективы делают из многих элементов (линз, зеркал и др.), подбираемых так, чтобы вносимые ими искажения взаимно компенсировались.

2. Зеркалом называют оптический элемент с полированной поверхностью, образующий требуемые световые потоки или изображения путем отражения падающих на него лучей. Зеркала изготавливают из металлов (серебро, алюминий, золото, хром, никель и др.) или путем напыления пленок из этих металлов на твердые материалы (стекло, керамику, сталь и т. д.). Зеркала могут выполнять те же функции, что и линзы, в частности на их основе могут создаваться зеркальные объективы, а в сочетании с линзами получают зеркально-линзовые объективы. В некоторых случаях используют полупрозрачные зеркала, частично отражающие и пропускающие световое излучение.

3. Призмой называют оптический элемент, выполненный из однородного материала в виде фигуры, ограниченной несколькими пересекающимися плоскостями, в частности имеющей две параллельные грани (основания), представляющие собой равные многоугольники, а остальные грани (боковые) – параллелограммы. Призмы используются для изменения направления хода лучей и могут создавать хроматические аберрации.

4. Фильтры (светофильтры) – устройства, предназначенные для пропускания света требуемого электромагнитного спектра и задержки мешающего светового излучения. Особенностью фильтров в оптическом диапазоне является уменьшение размеров деталей и элементов, определяющих спектральные свойства, в соответствии с длиной волны.

5. Диафрагмы, маски и шаблоны применяют для ограничения проходящего светового потока или его спектрального состава в плоскости, перпендикулярной главной оптической оси. Эти устройства часто выполняются в виде пластины с отверстиями.

6. Волоконно-оптические световоды. Волоконный световод является фактически диэлектрическим волноводом, выполненным из двух оптически прозрачных слоев круглого поперечного сечения – сердечника и оболочки. Элементарным световодом является тонкая нить диаметром 10–20 мкм, причем внешний слой имеет толщину 1–3 мкм и изготовлен из стекла с меньшим показателем преломления, чем сердечник. Поэтому лучи света, попадая в центральную часть световода, испытывают полное внутреннее отражение от границы сердечника либо оболочки и передаются вдоль световода.

Для передачи световых потоков или изображений отдельные светопроводящие волокна объединяют в жгуты. Большим преимуществом волоконно-оптических жгутов является передача изображения при их изгибе по любому профилю на расстояние до нескольких метров и разнообразные возможности по кодированию световой информации. Если выполнить входной и выходной торцы волоконно-оптического жгута разной конфигурации или по-разному расположить в них волокна, то можно производить преобразование изображений (растягивать, сжимать, поворачивать, расщеплять и производить любые другие преобразования формы). Эта особенность открывает большие возможности по обработке оптической информации, повышению точности и достоверности контроля.

3.4 Первичные преобразователи оптического излучения

Излучения оптического диапазона могут преобразовываться в видимое изображение (инфракрасное и ультрафиолетовое) или в электрический сигнал.

Первичные измерительные преобразователи светового излучения в электрический сигнал являются основой автоматизированных устройств неразрушающего оптического контроля. В качестве первичных измерительных преобразователей используют: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, вакуумные фотоэлементы и фотоэлектронные умножители, матрицы на базе полупроводниковых материалов и передающие телевизионные трубки [23–26].

1. Фоторезисторы и вакуумные фотоэлементы имеют наилучшие метрологические характеристики при преобразовании интенсивности света в электрический сигнал. Фоторезисторы могут обеспечить регистрацию небольших световых потоков в широком спектральном диапазоне длин волн падающих фотонов, особенно при охлаждении их до криогенных температур (охлаждаемые болометры). Их недостатком являются нелинейность световой характеристики и проявляющаяся иногда инерционность. Вакуумные фотоэлементы имеют линейную световую характеристику, но поскольку в них используется внешний фотоэффект, их чувствительность невелика, а спектральный диапазон работы меньше, что проявляется особенно сильно вблизи «красной границы» для квантов с малой энергией. Эти свойства обусловливают применение вакуумных фотоэлементов для точных светотехнических измерений.

2. Фотодиоды и фототранзисторы имеют высокую чувствительность, но недостаточно стабильные характеристики (сильная зависимость от температуры). Поэтому они применяются в тех случаях, когда сигнал носит импульсный характер и небольшие изменения их параметров не оказывают существенного влияния на результаты контроля.

3. Фотоэлектронные умножители имеют характеристики, подобные фотоэлементам, но обладают по сравнению с ними высокой (в 10–104 раз) чувствительностью к освещенности. Значительно большие шумы и необходимость высоковольтного питания ограничивают области их применения.

В связи с достижениями микроэлектронной технологии начинают широко использоваться матричные приборы [25] в виде линеек или пластин из полупроводниковых элементов с упорядоченным расположением выводов и приборы с зарядовой связью. Эти приборы служат базой для аппаратуры оптического неразрушающего контроля, воспринимающей оптические сигналы в пространстве путем квантования их и последующей дискретной обработки. На их основе строятся также твердотельные аналоги электронно-лучевых вакуумных трубок, позволяющие получить электрические сигналы о распределении освещенности в пространстве.

4. Электронно-лучевые вакуумные передающие трубки преобразуют сформированное на их входной мишени изображение в упорядоченную последовательность электрических сигналов, что дает возможность получать и обрабатывать большой объем информации о контролируемом объекте. Для работы электронно-лучевых передающих трубок необходимы высоковольтный блок питания электродов трубки, блок питания электромагнитной фокусировки, генераторы строчной и кадровой разверток. Поэтому конструкция передающей камеры с электронно-лучевой трубкой является сложной и требует качественной настройки. Среди разных видов передающих электронно-лучевых трубок наиболее часто применяют следующие: видикон, суперортикон и диссектор.

Суперортикон – передающая электронно-лучевая вакуумная трубка, использующая внешний фотоэффект. За счет переноса электронов, появившихся в результате воздействия квантов падающего света на двустороннюю накапливающую мишень и применения внутреннего фотоэлектронного умножения, он имеет очень высокую чувствительность по сравнению с другими трубками. Однако его недостатки – сложность в производстве и эксплуатации, большие искажения изображения при попадании на мишень элементов изображений с большой яркостью – ограничивают его применение.

Видикон – электронно-лучевая вакуумная трубка, использующая внутренний фотоэффект с накоплением зарядов. Видикон имеет меньшую чувствительность, чем суперортикон, и несколько хуже передает быстро движущиеся изображения. Спектральные характеристики видикона определяются материалом фотокатода. Например, мишени для работы в видимом диапазоне света изготавливают из соединений сурьмы, селена, мышьяка, серы; в инфракрасном – из сульфида свинца; в ультрафиолетовом – из селена, обладающего широкой спектральной характеристикой. На базе видикона созданы другие электронно-лучевые трубки, например, плумбикон и кремникон, в которых реализованы последние достижения полупроводниковой технологии и использующиеся более сложные мишени, что позволяет увеличить чувствительность и снизить инерционность трубки.

Диссектор – электронно-лучевая передающая вакуумная трубка без накопления заряда, использующая внешний эффект. Она содержит фотокатод, секцию фокусировки и развертки изображения, а также вторично-электронный умножитель. Выпускаемые промышленностью диссекторы имеют хорошие эксплуатационные показатели (механическая прочность, устойчивость к неблагоприятным внешним воздействиям и т. д.), линейную световую характеристику, дают возможность получить высокую разрешающую способность по яркости и в пространстве (отдельные экземпляры до 3000 строк).

3.5 Основные методы оптического контроля

3.5.1 Визуально-оптические методы контроля

Минимальный размер дефекта, который четко выявляется при визуальном контроле, зависит от характера исследуемого объекта (в частности, чем грубее его поверхность и структура, чем больше размер обнаруживаемого дефекта), уровня яркоcти и направления освещения, контраста между дефектом и фоном, т. е. от перепада яркостей, цветов или отражающих способностей, а также от личных качеств оператора (зрения, опыта и т. д.). Ориентировочно полагают, что при визуальном контроле оператор с нормальным зрением на расстоянии наилучшего зрения уверенно обнаруживает дефекты с минимальным размером 0,1 мм в плоскости, перпендикулярной линии наблюдения.

Визуально-оптическим называют неразрушающий контроль качества с применением оптических средств, позволяющих существенно расширить пределы естественных возможностей органов зрения человека. Он является техническим продолжением визуального контроля, дает возможность обнаруживать более мелкие дефекты и производить измерения с высокой разрешающей способностью (1–5 мкм). Обычно проводят многоступенчатый контроль: осматривают поверхность изделия без оптических средств, выявляя крупные дефекты и подозрительные места, изучают эти места через лупу (однолинзовый микроскоп), а затем исследуют отдельные участки контролируемого изделия с помощью многолинзового микроскопа, последовательно повышая кратность его увеличения. При правильном выборе условий визуально-оптического контроля размеры элементов объекта или минимальных выявляемых дефектов (в мм) уменьшаются в соответствии с оптическим увеличением устройства:

. 45546

Лупы предназначены для оптического контроля близко расположенных элементов изображения при небольшом увеличении () и обычно при ручном контроле. Удобство работы с ними определяется тем, что их легко перемещать по контролируемому объекту, а зона обзора лупы сравнительно велика.

Так как для луп и микроскопов с большим увеличением глубина резкости уменьшается, проведение контроля с их помощью усложняется и требует большего времени для фокусировки изображения (поиска расстояния наилучшего видения).

Лупы имеют различное конструктивное оформление в соответствии с вариантами их применения: обзорные – для контроля одновременно двумя глазами; налобные в виде увеличительных очков; складные, в том числе – карманные, часовые, телескопические. Оптическая часть лупы может состоять из одной линзы или нескольких скрепленных между собой, что дает возможность скорректировать часть аббераций и получить изображение хорошего качества. Лупы с малым увеличением () используют для поиска дефектов и дефектных зон, а с большим () – для их анализа и обнаружения дефектов минимально возможных размеров. Чтобы максимально использовать возможности лупы при проведении визуально-оптического контроля, ее (кроме больших бинокулярных луп) надо держать как можно ближе к глазу, поскольку в этом случае воспринимается наибольшее количество лучей, идущих от контролируемого объекта, и снижается влияние отражений (бликов) от посторонних предметов и линзы. Лупа размещается, как правило, параллельно контролируемой поверхности, что повышает производительность и достоверность визуально-оптического контроля.

Микроскоп является оптическим многолинзовым устройством для наблюдения элементов, не видимых невооруженным глазом, имеющим регулировки оптических свойств. Он дает возможность получить качественное увеличенное изображение, причем увеличение может достигать 2000 раз, а линейное разрешение – 0,5 мкм. Микроскопы позволяют производить визуально-оптический контроль при различных режимах освещения и увеличения, а также по разным методикам. Линзовые системы являются апланатическими, т. е. для них выполняется условие синусов

, 47648

где и – показатели преломления среды в пространстве предметов и в пространстве изображений; и – апертурные углы в пространстве предметов и изображений.

С помощью микроскопов и устройств, построенных по тому же принципу, решаются следующие задачи неразрушающего контроля качества: измерение геометрических размеров и формы малогабаритных изделий, обнаружение дефектов малых размеров (до долей микрометра) с высоким разрешением по их пространственному положению, контроль физико-химических свойств и состояния материалов (внутренних положений) по их оптическим характеристикам, контроль внутреннего строения малогабаритных изделий или их частей, расположенных в прозрачном или полупрозрачном материале.

Эндоскопом называют устройство, снабженное осветителем и оптической системой для осмотра внутренней поверхности объектов с полостями. Эндоскопы позволяют в основном решать задачи дефектоскопии и контроля строения изделий путем переноса видимого изображения из недоступной зоны к оператору. Сравнивая эндоскопы с другими устройствами, пригодными для решения аналогичных задач, и в первую очередь с малогабаритными телевизионными камерами, помещаемыми в полости, следует отметить, что гибкие эндоскопы имеют гораздо меньшие размеры поперечного сечения. Это дает возможность вводить их через очень малые отверстия объекта в полости и каналы сложного профиля, если радиус изгиба при повороте эндоскопа в полости более пяти диаметров жгута.

3.5.2 Фотометрические методы контроля

Методы, основанные на измерении величин, характеризующих световое излучение, путем преобразования их в электрический сигнал и обработки его вторичными блоками. Они нашли широкое распространение, поскольку хорошо вписываются в технологический процесс. К таким методам можно условно отнести фотометрический, денситометрический, колориметрический и некоторые разновидности поляризационного и спектрального методов. Фотометрический метод предполагает измерение вторичной освещенности, яркости, светового потока или интенсивности светового излучения, полученного после взаимодействия с контролируемым объектом. Использование той или иной физической величины зависит от конкретной реализации метода, выбранной оптической системы и первичного измерительного преобразователя. Денситометрический метод состоит в том, что измеряется оптическая плотность или коэффициент пропускания. Поляризационный метод отличается использованием поляризованного света и анализом поляризации прошедшей компоненты. Колориметрический метод заключается в анализе цветовых составляющих света или их отношения. При реализации этих методов основной процесс измерения или преобразования может быть сведен во многих случаях к фотометрическому, поэтому рассмотрим его как основной вариант построения аппаратуры и отметим особенности в реализации других методов.

Фотометрический и подобные ему методы могут быть применены для решения следующих задач неразрушающего контроля: измерение геометрических размеров и площадей, контроль коэффициента затухания, пропускания или отражения, дефектоскопия. Приборы, реализующие фотометрический метод, обычно работают в прошедшем излучении и имеют две оптические системы. Поскольку первичные измерительные преобразователи световых величин в электрические сигналы чаще всего имеют нелинейные световые характеристики, а их стабильность недостаточна, применяют специальные способы построения приборов, чтобы эти недостатки оказывали минимальное влияние. В приборах для контроля геометрических размеров часто применяют следящие системы, а также фотокомпенсационный, фотоимпульсный, растровый способы и др.

Фотокомпенсационный способ предполагает сравнение двух световых потоков, один из которых частично перекрывается контролируемым объектом, а другой – специальной пластиной, положение которой при равенстве световых потоков определяет геометрический размер объекта. Фотоследящий способ состоит в перемещении с помощью следящей системы фотоэлектрического преобразователя, отмечающего положение границы «свет – тень», создаваемой при освещении контролируемого объекта, и регистрации его параметров по положению преобразователя.

Фотоимпульсные приборы имеют наибольшее распространение и по существу используют преобразование линейного размера в электрический импульс, длительность которого связана с измеряемым размером и скоростью движения модулирующего элемента. Применение растровых устройств позволяет дискретизировать световой поток, идущий от контролируемого объекта, и получить последовательность импульсов, число которых связано с размерами контролируемого объекта.

В устройствах на принципе фотоимпульсного преобразователя могут быть применены линейные матрицы на базе приборов с зарядной связью, на выходе которых сразу получают последовательность импульсов, связанных с поперечным размером, что существенно упрощает построение приборов для контроля геометрических размеров фотометрическим способом и обеспечивает лучшие метрологические показатели.

3.5.3 Контроль телевизионными методами

Основой применения телевизионных методов являются электронно-вакуумные передающие телевизионные трубки [23–26], которые позволяют преобразовать видимое изображение в упорядоченную последовательность – видеосигнал. Наибольшее распространение в телевизионных системах для целей неразрушающего контроля имеют видикон и диссектор. Сигналы, полученные от передающего телевизионного блока, дальше могут использоваться по-разному: для формирования видимого изображения, которое анализируется оператором, для логической обработки сигналов и выделения информации о контролируемом объекте или для ввода в компьютер.

Отметим основные преимущества телевизионного метода по сравнению с визуальным и визуально-оптическим:

1) возможность одновременной оценки изображения на нескольких экранах группой операторов, что особенно существенно при работе с микроскопом, эндоскопом и другими подобными устройствами;

2) работа с крупным изображением, получаемым за счет электронного увеличения так, что общее увеличение составит

; 49750

3) передача и анализ изображения практически на любые расстояния от контролируемого объекта;

4) возможность записи, обработки изображения и его улучшения путем устранения помех с использованием методов, широко применяемых в телеметрических системах;

5) простота проведения контроля для объектов различной формы;

6) широкие возможности автоматизации контроля и использования его результатов, обработанных на компьютере, для их фиксации, анализа, а также управления ходом технологического процесса.

Большую часть этих преимуществ позволяет реализовать аппаратура или устройства, которые могут быть построены на базе серийных блоков и систем. Такие устройства называют системами промышленного телевидения и телевизионной автоматики. Кроме того, некоторые специальные устройства, создающие на выходе видимое изображение, по существу, построены на основе принципов, характерных для телевизионной техники.

3.5.4 Интерференционные методы контроля

Отличительной чертой интерференционных методов оптического контроля является взаимодействие двух потоков света. К интерференционным методам относятся: интерферометрический, дифракционный, фазово-контрастный, рефрактометрический и голографический. Они основаны на изменении энергии и фазы вторичных потоков после взаимодействия с контролируемым объектом, его элементами или частями. Поскольку величиной, определяющей набег фазы, является длина волны, интерференционные методы обеспечивают измерения и контроль параметров объектов до долей длины волны. Обычно погрешность или разрешающая способность такого рода аппаратуры составляет . В связи с высокой разрешающей способностью и чувствительностью этих методов большое внимание должно быть уделено неизменности условий контроля, в том числе и параметров окружающей среды. Интерференционные методы успешно применяются для высокоточного измерения геометрических размеров, физико-химических свойств (в первую очередь оптических), реже – для дефектоскопии и контроля внутреннего строения изделий.

3.5.5 Голографические методы

Уникальные свойства лазерного излучения сделали реальным применение голографических методов в неразрушающем контроле. Как известно, голограмма – это полученная определенным образом фотопластинка с запечатленными на ней интерференционными линиями, при освещении которой когерентными колебаниями формируется поток света, создающий видимое объемное изображение сфотографированного объекта. Непосредственное использование свойств фиксированного трехмерного изображения изделия в неразрушающем контроле имеет такое же значение, как обычная фотография, – получение и хранение документа, но содержащего гораздо большую информацию, поскольку изображение имеет объемность и распределение света зарегистрировано с точностью до долей его длины волны.

Голограммы могут быть получены физическим путем с помощью оптических установок или расчетным путем с помощью компьютера и специальных графических устройств (бинарные голограммы). Так как голограмма получается за счет интерференции световых волн, прошедших различный путь до регистрирующей фотопленки, необходимы высокая когерентность, монохроматичность и стабильность источника света, что особенно существенно при больших разностях хода лучей. Наилучшие из современных лазеров могут обеспечить выполнение требуемых условий при расстояниях до 30 м. Две интерференционные линии на голограмме находятся на расстоянии , где – угол между направлениями сигнального и опорного лучей. Поскольку наименьшее расстояние между линиями на голограмме примерно равно длине света, т. е. в видимом диапазоне 0,35–0,75 мкм, то пленка для голографии должна иметь высокую разрешающую способность – 2000–5000 линий/мм. Работа с такой пленкой требует большой освещенности и значительного времени экспозиции. Во время экспозиции необходимо выдерживать постоянные показатели окружающей среды, так как их изменения не должны приводить к появлению приращений электрической длины у одного из лучей более чем на четверть длины волны, иначе структура интерференционных полос будет нарушаться (смазываться, расплываться). Указанные особенности усложняют широкое внедрение голографических методов в неразрушающем контроле качества.

Расчетные (бинарные) голограммы получают путем вычисления для конкретных условий контроля результирующих амплитуд и фаз в плоскости голограммы на компьютере. Полученные значения выводятся на построитель графического изображения или передаются по каналам связи в приемный центр. Затем изображение перефотографируется в уменьшенном масштабе так, чтобы линии голограммы на фотографии находились на расстояниях, соизмеримых с длиной волны света, восстанавливающего изображение. Расчетный способ создания голограмм позволяет иметь их для идеальных объектов, которые реально не существуют, изготавливать фильтры с наперед заданными свойствами и передавать голографическую информацию. Особенно эффективно для целей неразрушающего контроля применение расчетных голограмм, когда изделие должно иметь форму, точно описываемую математическими формулами (цилиндр, сфера, параболоид и т. д.) при малых допустимых отклонениях от нее.

3.6 Практические схемы реализации оптического контроля

3.6.1 Устройство и принцип работы измерительного микроскопа

В состав типичного микроскопа входят: осветитель, предметный столик, перемещающийся относительно корпуса микроскопа, и увеличительная часть. Наиболее сложные микроскопы для измерительных целей содержат электронные системы цифрового отсчета, а также преобразующую телевизионную установку для передачи и обработки изображения. Как правило, микроскоп работает с источником искусственного света, создающим большую освещенность контролируемого объекта необходимого спектрального состава и направления света.

Выходной световой поток чаще всего имеет вид параллельного пучка лучей или специальное строение (сходящегося или расходящегося, со светлыми или темными местами, с различными метками и т. д.).

Увеличительная часть микроскопа предназначена для получения изображения, удобного для оперативного анализа при контроле различных объектов в выбранном режиме. Типичный вариант построения увеличительной системы микроскопа изображен на рис. 3.1 [1]. Для расширения возможностей в увеличительной части микроскопа также имеются элементы, изменяющие световой поток, а осветитель может располагаться по-разному (ОС1 или ОС2).

От осветителя ОС1 свет падает на линзу Л3 (работа в светлом поле) или Л4 (работа в темном поле) и через диафрагму Д3 и маску МС направляется на сложные зеркала З2 и З3. Зеркало З2 выполнено прозрачным и отражает световой поток, прошедший сквозь линзу Л3 в линзовый объектив ОБ, освещающий участок контролируемого объекта КО. Через этот же объектив ОБ и зеркало З2 лучи света после взаимодействия с контролируемым объектом направляются для анализа сквозь фильтр Ф3 и линзы Л6 к зеркалам З4 и З5. Таким путем проходит световой поток при работе в светлом поле, когда угол падения лучей света близок к нулю. При работе в темном поле, когда хорошо отражающая полированная поверхность кажется черной, световой поток через периферийную часть линзы Л4 попадает на зеркало З3 и далее на зеркало З6, называемое эпиобъективом и выполненное в виде круглого кольцеобразного металлического зеркала с внутренней отражающей параболической поверхностью, которое формирует косое () освещение. Центральная часть светового потока в этом варианте освещается перекрываемой диафрагмой Д3, чтобы не было прямого отражения света в объектив. Ход лучей света после взаимодействия с контролируемым объектом в обоих случаях одинаков.

Рис.  423. Функциональная схема измерительного микроскопа: КО – контролируемый объект; ПС – предметный столик; ОБ – линзовый объектив; ИС – измерительная система; ОС – осветитель; З – зеркало; Л – фокусирующие линзы; МС – маска; Д – диафрагма; Ф – фильтр

Лучи света, несущие полезную информацию в виде изображения участка контролируемого объекта КО, отраженные от зеркала З4, через окуляр ОК наблюдаются оператором. Если убрать зеркало З4, то лучи попадают в фотоокуляр Л8, который после отражения их от зеркала З5 формирует изображение на пластине ПЛ, которая может быть матовым экраном при работе в проекционном режиме или фотопластинкой при фотографировании. Получение четкого изображения обеспечивает его фокусировка путем перемещения объектива ОБ в направлении линии визирования (главной оптической оси) с помощью ручки фокусировки РФ, связанной с отсчетным микрометрическим устройством отсчета расстояния. Непосредственно в объективе, окуляре или около них устанавливается измерительная сетка ИС с делениями, цена которых зависит от увеличения микроскопа. Эта сетка обеспечивает проведение отсчетов длины в плоскости, перпендикулярной линии визирования, и может быть проградуирована по эталонам или с помощью микрометрических отсчетных устройств.

Предметный столик ПС является базой, на которой размещается контролируемый объект КО, для чего к нему придается набор принадлежностей: специальные зажимы, пружинные держатели, дополнительные кольца и насадки и т. д. Предметный столик позволяет перемещать объект КО в направлениях, перпендикулярных линии визирования, что осуществляется ручками соответствующих координатных перемещений РП, связанных с предметным столиком ПС отсчетными микрометрическими устройствами.

Осветительная часть микроскопа ОС2 для работы в прошедшем освещении выполнена в виде лампы накаливания объектива, фильтра и диафрагмы, заключенных в общий корпус. Такой осветитель может легко размещаться в требуемом положении при оптимальном угле падения света и фиксировать его.

В зависимости от решаемой задачи контроля качества микроскоп можно использовать для работы в следующих режимах освещения: в проходящем и отраженном свете разного направления; с белым или монохроматическим светом, длина волны которого определяется фильтрами; с поляризованным и неполяризованным светом, при освещении световым потоком разной структуры, создаваемой масками. В части микроскопа, где происходит обработка светового потока после взаимодействия с контролируемым объектом, также возможны различные режимы работы, применение которых целесообразно с учетом его оптических свойств. Оптическая система большинства микроскопов отлаживается обычно на определенную длину волны (чаще 0,56 мкм), поэтому для получения изображений наилучшего качества используют монохроматический свет. Отметим наиболее распространенные режимы работы микроскопов.

Основной режим работы микроскопа – освещение белым светом. Для получения изображений, на которых четко выделяется информация об отклонении объекта от нормы, устанавливают различные светофильтры, причем полоса их пропускания может быть близкой к длине волны, несущей полезную информацию, или, наоборот, является дополнительной к ней, что повышает контрастность изображения и будут резко выделяться инородные элементы и детали: дефекты, различные включения и т. п. Работа в темном поле особенно эффективна при изучении поверхностных дефектов или при контроле поверхностей с особыми оптическими свойствами, а также при контроле прозрачных объектов.

3.6.2 Схемы построения эндоскопов

В зависимости от вида контролируемого объекта, условий и целей проведения контроля концевая часть эндоскопа может компоноваться путем различных сочетаний элементов оптических систем (линз, призм, зеркал и др.) и источника освещения. На рис. 3.2 показано несколько схем типичных вариантов контроля и расположения основных элементов, обеспечивающих различные варианты обзора внутренней поверхности контролируемого объекта. Эндоскоп содержит: осветительный жгут 1, осветительную оптическую систему 2, источник света, объектив 3, обзорный (регулярный) жгут 4, окуляр, защитную оболочку 5 и устройства управления. По технологическим признакам эндоскопы выполняются жесткой, полужесткой и гибкой конструкции.

Рис.  545. Основные виды эндоскопов для обзора внутренних поверхностей: а – прямой; б – регулируемый в полусфере; в – боковой; г – панорамный; д – угловой; е – ретроспективный (1 – осветительный жгут, 2 – осветительная оптическая система, 3 – объектив, 4 – обзорный жгут (регулярный), 5 – защитная оболочка)

Эндоскопы жесткой конструкции легче фиксируются в зоне контроля. Жесткие эндоскопы изготавливают на базе линзово-зеркальных оптических систем, содержащих до 50 оптических элементов, а их возможности подобны микроскопам. Эндоскопы гибкой конструкции наиболее универсальны, так как хорошо вводятся в полости сложной конфигурации по криволинейным каналам, ведущим к полости, и изготавливаются на основе волоконно-оптических световодов, собранных в жгуты. При использовании таких эндоскопов необходимо иметь в виду, что доставленное к оператору изображение несколько искажается по сравнению с тем, которое проецируется на входной торец световодного жгута. В частности, элементарные световые потоки деполяризуются, по-разному запаздывают во времени, изображение имеет зернистую структуру, а контраст несколько нарушается за счет разного затухания света в отдельных волокнах жгута и разного пройденного пути, например, из-за непредсказуемых изгибов и переплетений волокон, а также неидеальности их отражающей поверхности.

Поскольку эндоскоп является фактически устройством, переносящим изображение в пространстве и работающим в реальном масштабе времени, он может успешно использоваться с другими устройствами фиксации и обработки изображений, например телеаппаратурой. Условия освещения легко изменяются, поскольку источник света вынесен за пределы полости и его мощность можно увеличить до необходимого значения, несмотря на габариты.

Разрешающая способность эндоскопа гибкой конструкции ограничена разрешениями волоконно-оптического жгута и оптической части эндоскопа. Чтобы полнее использовать возможности эндоскопа, стремятся к примерному равенству линейного разрешения в поле зрения и разрешающей способности регулярного жгута. В этом случае минимально допустимый диаметр торца жгута составит

, 51852

где – линейный размер поля зрения эндоскопа, мм; и – разрешающие способности по полю зрения эндоскопа и волоконно-оптического жгута соответственно, мм-1.

С помощью эндоскопа можно оценить линейные размеры элементов изделия путем сравнения их между собой или по измерительной шкале, но точность в этом случае невысока, поскольку трудно определить увеличение эндоскопа (масштаб изображения).

3.6.3 Структурная схема телевизионной установки для оптического контроля объектов

Основным оборудованием при реализации телевизионных методов является промышленная телевизионная установка (ПТУ), представляющая собой замкнутую телевизионную систему, сигналы которой чаще всего передаются по кабелям. Промышленные телевизионные установки являются самостоятельными единицами и часто могут быть непосредственно использованы для проведения оптического телевизионного контроля при соответствующем выборе из широко выпускаемой номенклатуры. Структурная схема (рис. 3.3) показывает основные функциональные блоки типичной ПТУ. Ее передающая часть имеет от 1 до 32 телекамер (ТК1, ТК2) с устройствами наведения (УН1, УН2) и оптическими блоками (ОБ1, ОБ2). В общем случае оптические блоки ОБ1, ОБ2 представляют собой набор объективов с различными оптическими системами, смена которых может производиться дистанционно. Промышленные телевизионные системы используют передающие трубки типа «видикон» разных марок. Устройства наведения УН1, УН2 – механического типа – могут поворачивать телевизионную камеру дистанционно по сигналам управления на угол в горизонтальной плоскости и на угол в вертикальной плоскости. Все электрические соединения телекамер между собой и с приемной частью выполнены с помощью распределительных коробок РК1 на передающей и РК2 на приемной сторонах. Соединяются эти коробки между собой магистральным коаксиальным кабелем МК1, по которому идут видеосигналы, импульсы синхронизации и развертки, кабелем управления КУ2, по которому передаются питающие напряжения, а также сигналы управления телекамерами и блоками. Типичная длина кабелей составляет 100–1000 м, с линейным усилителем ЛУ и дополнительными кабелями (МК3 и КУ4) до 5 км. На приемной стороне видеосигналы от распределительной коробки РК2 через центральный блок коммутации и управления БУ поступают на усилитель-распределитель УР, обеспечивающий электрическими сигналами все видеоконтрольные устройства ВКУ, количество которых может быть также различным (чаще 1–4). Видеоконтрольные устройства ВКУ1, ВКУ2 снабжены пультами управления ПУ1, ПУ2, часть которых сделана выносными, что позволяет управлять дистанционно режимом работы системы в целом.

Рис.  667. Структурная схема промышленной телевизионной установки

Типовые промышленные телевизионные системы обеспечивают 6–7 градаций яркости при освещенности 50–300 лк и четкости изображения около 500 линий в растре. Применение видиконов специального исполнения дает возможность использовать телевизионные методы в случае невидимых излучений (инфракрасные, рентгеновские). Телевизионные сигналы могут быть приведены к более удобному виду блоками вторичной обработки БВО.

Во многих случаях имеет смысл применять цветные телевизионные установки или проводить цветовое контрастирование изображения, что повышает достоверность контроля. Одной из существенных составляющих погрешности в толщинометрии является влияние нелинейности изображения вдоль экрана, создаваемой отклоняющими системами трубок. Для снижения этой погрешности выходной экран градуируют с помощью тест-объектов или координатных сеток, либо помещают их в зону контроля. Если известно предположительное направление дефектов, то следует располагать приемную телевизионную камеру так, чтобы строки были перпендикулярны этому направлению, поскольку при этом снижается вероятность пропуска дефектов. Телевизионные методы позволяют обнаруживать дефекты, минимальный размер которых равен

, 53954

где – число строк или число элементов изображения в строке.

3.6.4 Применение телевизионной автоматики для оптического контроля объектов

Контроль размеров объектов может производиться в полуавтоматическом и автоматическом режимах различными способами. При этом погрешности измерений в обоих случаях зависят от выбранного способа контроля и в лучшем случае составляют несколько сотых долей процента. Полуавтоматические способы отличаются тем, что определение измеряемой величины производит оператор с помощью изображения на экране видеоконтрольного устройства. Автоматические методы предполагают получение измеряемой величины непосредственно автоматом в виде показания выходного индикатора, цифрового кода или других сигналов.

Контроль формы изделий и измерение геометрических размеров по изображению на экране видеоконтрольного устройства (полуавтоматический контроль) производятся следующими способами: с координатной сеткой или контрольной линейкой, полного или частичного измерения.

Способ полного измерения расстояния между краями или характерными точками изделия применяется для контроля крупногабаритных изделий или полуфабрикатов и состоит в том, что на видеоконтрольном устройстве добиваются совпадения этих точек с центром экрана путем поворота телекамеры. Измерив углы ее поворота относительно центрального положения ( и ) и зная расстояние от телекамеры до изделия , можно найти искомый размер:

, 551056

проведя вычисления с помощью специального устройства. Погрешность известных полуавтоматов полного измерения для значений длин 2–60 м может составлять 3–50 мм, т. е. достигает 0,1 %.

Способы измерения частичного расстояния заключаются в определении не всего размера , а только его краевой части с двух сторон, т. е. фактически лишь приращения длины относительно постоянной базы . На рис. 3.4 показано расположение телекамер и изображение для двух вариантов применения этого способа. Естественно, если база известна с высокой точностью и достаточно стабильна, относительная погрешность измерений существенно снижается и определяется суммой абсолютных погрешностей измерения и установки базы. Реализация этого способа может производиться с использованием одной (рис. 3.4 а) или двух (рис. 3.4 б) камер и видеоконтрольных устройств. Измерив по экрану приращение размера относительно базы, можно найти ширину:

, 571158

где – градуировочный коэффициент экрана видеоконтрольного устройства; – размер, считанный на экране.

Автоматическое измерение геометрических размеров телевизионными методами может производиться следующими способами: время-импульсное преобразование, оптическая дискретизация изображения и способ граничных токов.

а б

Рис.  789. Схемы телевизионных измерений размеров: а – одной телекамерой; б – двумя телекамерами (1 – контролируемый объект, 2 – устройство установки базы, 3 – телевизионные камеры, 4 – видеоконтрольное устройство, 5 – зеркала)

3.6.5 Принцип работы и схема интерферометра

Для решения задач неразрушающего контроля могут применяться интерферометры – стандартные измерительные приборы, распространенные в технике точных геометрических измерений. Они позволяют измерять различные геометрические размеры, в том числе толщины прозрачных покрытий, с погрешностью до 0,1 мкм, шероховатости и неровности на исследуемой поверхности такого же порядка. На рис. 3.5 а показана схема конструкции микроинтерферометра для контроля качества поверхности путем сравнения с эталоном поверхности, а на рис. 3.5 б – вид изображения в поле зрения интерферометра при наличии дефектов на поверхности (трещины и выступы).

а б

Рис.  81011. Конструктивная схема интерферометра и интерференционная картина при наличии выступа и впадины

Источник света ИС (лампа накаливания, лазер) с помощью конденсора Л1 – Л2 формирует световой поток. Выделенная монохроматическим фильтром Ф и диафрагмой Д1 его часть попадает на полупрозрачное зеркало З4 и делится на два когерентных пучка. Один из пучков фокусируется на контролируемый объект КО, помещенный на предметный столик ПС, а другой – на поверхность эталонного зеркала З2. Отраженные лучи через микрообъективы МО1 и МО2 и полупрозрачное зеркало З1 попадают в окуляры Л3, Л4, содержащие ряд линз, и ограничивающую диафрагму Д2. Налагаясь в поле зрения, рабочий и эталонный световые потоки образуют интерференционную картину.

В случае плоских поверхностей объекта и эталона интерферограмма будет иметь вид параллельных светлых (потоки налагаются в фазе) и темных полос (фазы противоположны). Наличие кривизны и дефектов поверхности (трещин, впадин, царапин, рисок или наплывов, выступов, задиров и т. п.) контролируемого объекта приводит к появлению регулярно изменяющегося или местного изменения набега фазы отраженного светового потока, что ведет к искривлению линий интерференционной картины (рис. 3.5 б). Это позволяет обнаружить отклонение от плоскостности, дефекты и неровности поверхности и оценить их величину. Так, при освещении монохроматическим светом глубина (высота) неровности может быть оценена по выражению

, 591260

где – изгиб, соответствующей интерференционной линии, а – интервал между интерференционными линиями.

Отношение оценивается оператором или рассчитывается после измерения соответствующих величин с помощью измерительной сетки или микрометрического винта интерферометра. Таким образом, легко изучаются микронарушения поверхности размером 0,1–1 мкм. Фокусируя на резкость интерференционные полосы последовательо на предельные точки дефекта или по глубине прозрачного контролируемого объекта, можно определять дефекты в виде рисок или трещин глубиной 20–100 мкм при ширине около 0,25 мкм.

Перемещение контролируемого объекта или эталонного зеркала приводит к смещению интерференционных полос, по которому можно находить абсолютные размеры элементов контролируемого объекта, толщину покрытий, глубину отверстий и т. д. с высокой точностью по отработанным стандартным методикам.

3.6.6 Методики голографического контроля

Для проведения оперативного контроля необходимо производить сравнение нескольких предметов или изменений, происходящих в одном и том же предмете. С этой целью разработаны различные методики голографического контроля. Чаще других контроль ведут путем получения интерференционной картины на испытуемом объекте (метод «живых полос») или методом двойной экспозиции (метод «замороженных полос»).

Если в область, где находится восстановленное изображение, поместить сфотографированный на голограмму предмет или ему подобный, то голографическое изображение и предмет ввиду точного совпадения световых волн будут казаться единым целым, имеющим повышенную яркость и контрастность. При совмещении голографического изображения изделия, имеющего номинальные параметры (контрольный образец), с испытуемым совпадение амплитуд и фаз в некоторых местах будет нарушено из-за отклонения его параметров от номинальных значений и на испытуемом изделии появятся интерференционные полосы, вызванные разностью хода когерентных световых лучей от голограммы и испытуемого объекта. Получаемая интерференционная картина зависит от конкретных отличий голографической копии контрольного образца и реального изделия, что позволяет легко и точно выявлять отклонения в испытуемом изделии от контрольного образца.

Метод двойной экспозиции заключается в наложении двух голограмм физических изображений на одну пленку. В результате восстановления такой сложной двойной голограммы также получается система интерференционных полос, заметно выделяющая ту область, где имеются отличия в экспонировавшихся объектах.

Голографические методы оказались эффективными для проведения неразрушающего контроля в следующих случаях:

1. Контроль геометрических размеров, оптических свойств и обнаружение дефектов у высококачественных полуфабрикатов и изделий путем сравнения с эталоном или расчетной голограммой.

2. Анализ микроперемещений и изменений участков или деталей объектов со временем. Такой анализ проводится путем сравнения сделанной ранее голограммы объекта с его настоящим состоянием. При этом удается определить не только небольшие изменения в геометрических и оптических параметрах объекта, но и обнаружить необратимые изменения в виде микротрещин и усталостных изменений.

3. Контроль изделий в динамических режимах, вызванных механическим нагружением, нагревом (охлаждением) или вибрационными нагрузками. Во всех этих случаях происходит изменение геометрии изделия и производится сравнение нового состояния изделия с его прежним топографическим изображением. При нагружении деформация в областях, ослабленных наличием отклонений от нормы или дефектов, оказывается несколько большей, чем по нормальным местам, что приводит к искривлению интерференционных линий (рис. 3.6 б) и обнаруживает аномалии в изделии. Нагрев или охлаждение используют при голографическом контроле изделий, работающих при изменяющихся температурах, например элементы и блоки радиоэлектронной аппаратуры (рис. 3.6 в, г).

Этот вид контроля имеет большие перспективы, поскольку деформации от увеличения температуры чрезвычайно малы. Простейшим вариантом голографического контроля вибрирующего объекта при периодическом характере колебаний является регистрация голограммы в процессе вибрации. Поскольку голограмма формируется в течение времени, намного большего периода колебаний вибрирующей детали, наибольшее влияние на фотопленку оказывают два ее крайних положения, когда мгновенные значения скорости равны нулю. В результате получаются как бы две голограммы, наложенные на одну пленку.

а б в г

Рис.  91213. Примеры голографических интерферограмм при наличии дефектов: а – до механического нагружения; б – после нагружения; в – мощного транзистора при нормальной температуре; г – после нагрева

4. Контроль качества прозрачных и полупрозрачных объектов, трудно отличимых от фона, но приводящих к изменению электрической длины хода лучей.

5. Изучение микроструктуры поверхности изделий, определяющей их качество. Низкое качество поверхности испытуемого изделия по сравнению с эталоном приводит к ухудшению четкости голограммы и проявляется как влияние шума.

Таким образом, голографические методы дают возможность про­изводить контроль с высоким разрешением, но ввиду повышенных требований к точности изготовления и качеству поверхности сравниваемых изделий, сложности контроля применяются для проверки мелкосерийной продукции.

РАЗДЕЛ 4 РАДИАЦИОННЫЙ КОНТРОЛЬ61441

4.1 Общие вопросы радиационного контроля

Радиационный метод контроля основан на взаимодействии с материалом (объектом) ионизирующих (проникающих) электромагнитных и корпускулярных излучений и регистрации результатов этого взаимодействия [4–8].

В радиационном контроле используют излучения двойственной природы: электромагнитных волн и элементарных частиц, которые имеют значение частоты кванта  Гц и более или соответственно длину волны в вакууме короче 10 нм, или энергию кванта более 124 эВ (около  Дж).

Различные ионизирующие излучения при диагностике материалов могут быть получены от источников двух основных групп: электронные источники и радиоизотопные источники.

К источникам излучения, построенным на основе использования электронных устройств, относятся: рентгеновские аппараты (имеют наибольшее применение), бетатроны, линейные ускорители, микротроны и некоторые другие устройства.

Принцип действия электронных источников основан на преобразовании электроэнергии электронов в энергию различных видов излучений. Источники излучения на базе электронных устройств могут создавать рентгеновское излучение, гамма-излучение, бета-излучение. Бетатроны, линейные ускорители и микротроны непосредственно создают поток быстродвижущихся электронов, а если направить его на мишень из определенного материала, можно получить электромагнитное (тормозное или характеристическое) излучение с энергией квантов, зависящей от энергии попадающих частиц. Большим преимуществом электронных источников излучения является возможность регулировки интенсивности излучения и его спектрального состава, а также полная безопасность при выключении электропитания. Недостаток – большие габариты и масса, а также необходимость внешнего источника энергии большой мощности.

Радиоизотопные источники построены на использовании изотопов вещества, имеющего естественную или искусственную радиоактивность. Эти источники обычно создают корпускулярное излучение (электроны, протоны, нейтроны и др.) с различными энергиями частиц и гамма-излучение. Достоинством радиоизотопных источников является их портативность и возможность применения без дополнительных источников энергии.

В настоящее время для радиационного контроля практически широко используют лишь источники, которые построены на базе электронных устройств, а также радиоизотопные источники. Свойства ионизирующего излучения этих источников обычно характеризуются интенсивностью излучения и его спектральным составом.

Длина волны ионизирующих излучений соизмерима с размерами молекул и атомов или меньше их, что определяет сложный характер взаимодействия этих излучений с материалом контролируемого объекта и обусловливает вероятностный характер результатов взаимодействия. Общей тенденцией при взаимодействии ионизирующих излучений с веществом является увеличение его проникающей способности с увеличением энергии кванта. По отношению к ионизирующим излучениям свойства материалов как бы выравниваются и решающей величиной, влияющей на результаты взаимодействия квантов излучения, оказываются плотность материала и его строение (микроструктура).

Наиболее часто в аппаратуре радиационного контроля используют прошедшее излучение и лишь при решении некоторых задач толщинометрии и контроля свойств используется обратное рассеяние или переизлучение квантов вторичного излучения.

Радиационные методы по сравнению с другими методами неразрушающего контроля имеют наибольшую биологическую опасность, поэтому при их использовании должны соблюдаться определенные организационные, санитарные нормы охраны труда и правила техники безопасности, значение которых увеличивается при повышении мощности источника излучения.

Излучения, применяемые в радиационном контроле, как элек­тромагнитной природы в виде фотонов, так и корпускулярной природы в виде потока частиц, могут характеризоваться различными физическими величинами. Однако среди них можно выделить и общие показатели излучения: поток энергии, мощность источника, интенсивность, экспозиционная (поглощенная) доза, энергия кванта и спектральная характеристика, которые характеризуются следующими соотношениями:

1. Поток энергии излучения (Дж/м2)

, 62563

где – суммарная энергия частиц или квантов ионизирующего излучения;

– площадь сечения элементарной среды, в которую проникает излучение.

2. Мощность источника излучения

, 64665