МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ОПТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ

Методы и средства оценки качества передачи и воспроизведения изображения систем оптической дефектоскопии. Квалиметрическая оценка визуаль­ных систем. Оценка качества систем передачи и воспро­изведения изображений проводится по специальным тес­там (испытательным таблицам, мирам и т.д.). Тесты, как правило, состоят из тех или иных двухмерных фигур или из штрихов достаточно большой длины. Выбор формы двухмерных фигур зависит от назначения системы.

Важным параметром, характеризующим возможный уровень видения объекта с помощью системы, является разрешение различных штриховых мир, эквивалентных объекту. Такой подход справедлив независимо от приро­ды имеющегося сочетания различных дефектов изобра­жения. Объект характеризуется критическим размером, определяемым размерами деталей объекта, существен­ных для его видения. В типичном случае этот минималь­ный габаритный размер проекции изображения объекта на плоскость, перпендикулярную линии наблюдения. Штриховая мира, эквивалентная объекту, является одной из мир набора, в котором полная ширина мир равна кри­тическому размеру объекта, а длина соответствует раз­меру объекта в направлении перпендикулярном критиче­ском. Качество видения можно предсказать, определив максимальную разрешаемую частоту эквивалентной ми­ры, наблюдаемой при тех же условиях, что и объект.

В России наиболее употребительны штриховые ми­ры ГОИ. Каждая мира состоит из 25 элементов с цифро­вой характеристикой по краям. Один элемент состоит из четырех групп штрихов: с вертикальным, горизонталь­ным направлением и под углом 45° в двух взаимно пер­пендикулярных направлениях. Ширина линии в каждой мире убывает от элемента к элементу по закону геомет­рической прогрессии со знаменателем » 0.94

Ширина линии, мм,

l = 2а,

где а - ширина светлого штриха.

Число полос (линий) на один миллиметр для любо­го номера элемента данной миры

= 60 /B,

где i - 1; 2; 3... 25; К - константа; В - база миры, мм, определяемая расстоянием между штриховыми отметка­ми на мире. Вместо цифр 3, 11, 15 и 23, соответствую­щих номерам элементов миры, нанесены штриховые от­метки. Мира имеет таблицу для расшифровки, в которой указаны значения разрешающей способности для каждо­го элемента.

Выпускаются шесть номиналов мир. Ширина штри­ха от номера к номеру миры изменяется в следующем порядке: № 1 - от 50 до 200 мм^-1, № 2 - от 25 до 100 мм^-1, № 3 - от 12,5 до 50 мм^-1, № 4 - от 6,3 до 25 мм^-1, №5- от 3,1 до 12,5 мм^-1, № 6 - от 1,6 до 6,3 мм^-1. При этом миры имеют базы соответственно 1,2 мм (№ 1), 2,4 мм (№ 2), 4,8 мм (№ 3), 9,6 мм (№ 4), 19,2 (№ 5), 38,4 (№ 6).

Тесты могут изготавливаться в виде таблиц или слайдов. В последнем случае используются специальные проекторы, позволяющие в широких пределах варьиро­вать яркость, размеры, контраст и цветность испыта­тельных изображений, а также время их предъявления. Возможно формирование тест-изображений на дисплее ПЭВМ, однако они не могут обеспечить необходимую яркость и резкость картин.

Метрологические средства. Для измерения фото­метрических характеристик источников света использу­ются стандартные приборы - люксметры для определе­ния освещенности в диапазоне 1... 2 • 10⁵ люкс, яркомеры (диапазон измерения яркости 1... 10⁶ кд/м²), свечемеры для определения силы света и т.п.

Широко известны светоизмерительные приборы серии «Аргус», разработанные ВНИИОФИ (г. Москва) и применяемые для измерения вышеприведенных величин, а также оценка облученности в ультрафиолетовой и ин­фракрасной областях спектра.

Для измерения световой чувствительности различ­ных фотопреобразователей (фотодиоды, ПЗС-матрица и др.) применяют стандартные источники света типа «А» (лампа накаливания с температурой нити накала 2850 К), В и С (источник А со светофильтрами) различной мощ­ности (1... 1000 Вт).

Измерение абсолютной и/или относительной спектральной чувствительности производится с помо­щью спектрометров различной конструкции и фотопри­емников (ФП), имеющих абсолютную калибровку.

При этом сигналы этих образцовых ФП сравнива­ются с сигналами измеряемых ФП при разных длинах волн.

В качестве эталонных источников в лазерной де­фектоскопии применяют лазеры, специально аттестован­ные органами Госстандарта (Ростест, ВНИИОФИ и др.).

Для калибровки и поверки денситометров, рефлек­тометров, колориметров и других приборов, измеряю­щих оптическую плотность, цвет, коэффициенты отра­жения пропускания и другие оптические характеристики используют стандартные образцы типа аттестованных оптических клиньев, пластинок из увиолевого и молоч­ного стекла, колориметрических атласов и т.п.

Для поверки приборов контроля геометрии приме­няют стандартные меры конечной длины (плитки Иогансона), различные линейки и шкалы, часовые индикаторы и т.п. инструменты и приборы, широко применяемые в машиностроении.

Для поверки приборов контроля формы изделий, глубины трещин и т.п. трехмерных измерений применя­ются пространственные тесты различной конфигурации (пробные стекла с известным радиусом кривизны, эта­лонные плоские стекла, калиброванные ступенчатые эта­лоны).

Лекция 13

16.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ТЕПЛОВОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ (ТНК)

Общие сведения. В тепловых методах неразру­шающего контроля ТНК используется тепловая энергия, распространяющаяся в объекте контроля. Температурное поле поверхности объекта является источником инфор­мации об особенностях процесса теплопередачи, кото­рые, в свою очередь, зависят от наличия внутренних или наружных дефектов. Под дефектом при этом понимается наличие скрытых раковин, полостей, трещин, непроваров, инородных включений и т.д., всевозможных отклонений физических свойств объекта контроля ОК от нормы, нали­чия мест локального перегрева (охлаждения) и т.п.

Различают пассивный и активный ТНК. При пас­сивном ТНК анализ тепловых полей изделий производят регистрацией их собственного теплового излучения. Ак­тивный ТНК предполагает нагрев объекта внешним ис­точником энергии.

Основной характеристикой температурного поля, являющейся индикатором дефектности, служит величина локального температурного перепада. Координаты места перепада, его рельеф или, иными словами, топология температурного поля и его величина в градусах являются функцией большого количества факторов. Эти факторы можно подразделить на внутренние и внешние. Внут­ренние факторы определяются теплофизическими свой­ствами контролируемого объекта и дефекта, а также их геометрическими параметрами. Эти же факторы опреде­ляют временные параметры процесса теплопередачи, в основном, процесса развития температурного перепада. Внешними факторами являются характеристики процес­са теплообмена на поверхности объекта контроля (чаще всего величина коэффициента конвективной теплоотда­чи), мощность источника нагрева и скорость его пере­мещения вдоль объекта контроля.

Основным информационным параметром при ТНК является локальная разность температур между дефектной Т_А и бездефектной Тв областями объекта DТ = Та - Тв. Знак перепада зависит от соотношения теплофизических свойств дефекта и изделия и исследуе­мой поверхности. При нагреве изделий, содержащих де­фекты, плохо проводящие тепло (типа газовых включе­ний), перепад положителен для поверхности, подвергну­той нагреву (т.е. место дефекта характеризуется локаль­ным повышением температуры), и отрицателен для про­тивоположной стороны. В случае дефекта, проводящего тепло лучше основного изделия (металлические вкрап­ления), знак перепада изменяется на обратный.

Временной ход перепада характеризуется кривой с максимумом. Это заставляет в каждом конкретном слу­чае оптимальным образом выбирать момент регистрации температурного перепада t_m. Величина t_m зависит от теп­ло- и температуропроводности изделия и дефекта и глу­бины залегания дефекта /. Момент наступления макси­мального перепада и глубина залегания дефекта обычно связаны линейной зависимостью, причем угол наклона соответствующей прямой зависит от теплофизических свойств изделия и дефекта. Чем более теплопроводно изделие, тем меньше величина t_m. В зависимости от типа материала и глубины залегания дефекта величина t_m для металлов колеблется от долей секунд до десятков секунд, для неметаллов она может составлять десятки минут.

Увеличение мощности нагревателя и уменьшение интенсивности теплообмена приводит к росту уровня нагрева изделия и лучшему выявлению дефектов.

В основе аналитического решения задач активного теплового контроля лежит уравнение теплопроводности. Пусть, например, в ОК существует поле температур Т (t, х, у, z), зависящее от времени t и координат (х, у, z). Компоненты системы могут двигаться со скоростью, составляющие которой по координатам равны W_X W_y, W_z. Параметры сред постоянны. В пространстве распо­ложены источники тепла, задающие плотность теплового потока q.

Процесс переноса тепла в среде за счет теплопро­водности и конвекции характеризуется дифференциаль­ным уравнением

где а - коэффициент температуропроводности, характе­ризующий скорость распространения температуры в пространстве (а = l/с • r), м²/с; с - теплоемкость веще­ства, равная количеству тепловой энергии, необходимой для нагрева на 1 К единицы массы вещества, Дж/(кг • К); l - коэффициент теплопроводности, показывающий способность тел передавать теплоту, Вт/м²; r - плот­ность вещества, кг/м³; q - плотность теплового потока, Вт/м².

Для решения уравнения используют граничные ус­ловия, а при конвективном теплообмене - условие не­прерывности потока и сохранения массы. Граничные условия задают, например, в виде известного распреде­ления температур или тепловых потоков.

В результате можно определить распределение тем­ператур на ОК в зависимости от его формы, размеров, наличия дефектов. Обычно при ТНК скорость ОК мала и конвекцией можно пренебречь.

Решение упрощается, если принять некоторые до­пущения. Например, в стационарном режиме дТ / дt = 0. В случае быстрых изменений температуры, когда ОК не успевает полностью прогреваться, анализ уравнения вы­полняют с учетом производной по времени.

Существуют следующие способы активного тепло­вого контроля изделий:

1. Кратковременный локальный нагрев изделия с последующей регистрацией температуры той же (при одностороннем контроле) или противоположной области (при двустороннем контроле). По истечении некоторого времени (чтобы изделие успело остыть) переходят к сле­дующей точке и т.д. Так будет пройдена вся поверхность изделия, причем измеренная температура дефектных областей будет существенно отличаться от температуры бездефектных участков.

2. С использованием сканирующей системы, со­стоящей из жестко закрепленных друг относительно друга источника нагрева и регистрирующего прибора (например, радиометра), перемещающихся с постоянной скоростью вдоль поверхности образца.

3. Одновременный нагрев поверхности образца вдоль некоторой линии с последующей регистрацией температуры вдоль этой же линии (при одновременном контроле) или вдоль аналогичной линии с противопо­ложной поверхности образца (при двустороннем контро­ле). Подобная регистрация может быть осуществлена, например, прибором «Термопрофиль».

4. Одновременный нагрев всей поверхности образца и последующая одновременная регистрация температур­ного распределения на этой же или на противоположной поверхности. Подобный способ контроля может быть осуществлен при помощи тепловизора.

Эффективность выявления дефектов каждым из описанных способов теплового контроля уменьшается от первого к четвертому, а производительность - возрастает. Области применения ТНК приведены в табл. 1 и табл. 2.

Физические основы теплового излучения

Бесконтактные методы теплового контроля основаны на использовании инфракрасного излучения, испускаемого всеми нагретыми телами. Инфракрасное излучение занимает широкий диапазон длин волн от 0,76 до 1000 мкм. На практике в ТНК преимущественно используются два спектральных диапазона 3... S и 8... 14 мкм, совпадающие с окнами максимальной прозрачности атмосферы и являющиеся наиболее информативными. Спектр, мощность и пространственные характеристики этого излучения зависят от температуры тела и его излучательной способности, обусловленной, в основном, его материалом и микроструктурными характеристиками излучающей поверхности. Например, шероховатые поверхности излучают сильнее, чем зеркальные. При повышении температуры мощность излучения быстро растет, а ее максимум сдвигается в область более коротких длин волн. Эта закономерность характеризуется законом смещения Вина:

Семейство кривых распределения спектральной поверхностной плотности потока теплового излучения RT в функции температуры Тк получается дифференцированием закона Планка из выражения:

Тогда Rmax (при lmax) определяется из выражения:

Следовательно, объект (в том числе и кожный покров человека) с температурой около 300 К (30 °С) имеет максимум излучения на длине волны 10 мкм, солнце при Тэфф = 6000 °С - 0,5 мкм, а жидкий азот с Ткип = 77 К - 38 мкм. Спектр излучения может быть непрерывным или дискретным.

Характер спектра зависит, в основном, от агрегатного состояния вещества. Для твердых и жидких тел, как правило, характерны непрерывные спектры излучения, а для газообразных - линейчатые, которые при больших давлениях или больших толщинах чаще переходят в непрерывный.

Для характеристики теплового излучения удобным оказалось понятие абсолютного черного тела (АЧТ), т.е. тела, поглощающего все падающее на него излучение. Излучение АЧТ описывается аналитически, оно является функцией только его температуры. Физической моделью АЧТ может служить замкнута* полость с отверстием, значительно меньшим ее габаритов.

Законы изучения АЧТ могут применяться с известной поправкой для большинства реальных тел, что определяет их значение.

Суммарную плотность потока излучения АЧТ в зависимости от его температуры определяет закон Стефана - Больцмана (получаемый интегрированием закона Планка): 

где s = 5,6687 • Вт/(м2 • К4) - постоянная Стефана - Больцмана.

Приведем наглядный пример. Излучение человеческого тела близко к АЧТ и согласно этому закону составляет RТ = 5,7 х х = 0,05 Вт/см2. При средней площади кожного покрова взрослого человека около 2 суммарная мощность, теряемая излучением, выражается величиной Р = 0,05 х 2 х =1 кВт.

Однако эти достаточно большие потери тепловой энергии (в отсутствие шерстяного покрова, присущего теплокровным животным) обратно почти полностью компенсируется не менее интенсивным поглощением излучения от одежды и обуви, а также окружающих предметов и других теплоизлучающих объектов.

Для реальных тел законы излучения АЧТ применимы только в первом приближении. Их излучение может отличаться от излучения АЧТ при той же температуре как спектральным составом, так и интенсивностью. Тела, излучение которых имеет тот же спектр, что и излучение АЧТ при данной температуре, и отличается от него только интенсивностью, называются серыми.

Для оценки излучательной способности реальных (серых) тел вводят понятие коэффициента излучения e(l1 Т)≤ 1,0. Для АЧТ и серых тел e(l1 Т) =a (l1 Т), т.е., коэффициент излучения равен коэффициенту поглощения реального тела.

В табл. 3 приводятся значения e(Т) для наиболее употребительных материалов.

В некоторых задачах определение e является самостоятельной задачей ТНК (анализ теплозащиты, контроль солнечных батарей и т.д.). Но в большинстве случаев излучения из-за загрязненности, неоднородности структуры и т.п. являются мешающим фактором.

Для исключения влияния e на результаты ТНК применяют различные методы. Часто предварительно регистрируют термограммы поверхности ОК при его равномерном нагреве и в последующем используют эти данные при расчете его температурного поля в рабочем режиме, например, с помощью цифрового телевизора и ЭВМ.

Можно нанести на изделие выравнивающее e покрытие. Эффективен метод двойного сканирования, последовательное измерение мощности излучения нагреваемого ОК двумя радиометрами, расположенными на расстоянии друг от друга. При этом отношение их сигналов не зависит от e ОК.

Наиболее эффективно применение цветовых (полихроматических) пирометров, показания которых свободны от влияния e.

Физические основы измерения температуры

Практика неразрушающих испытаний привела к необходимости точного количественного описания энергетического состояния контролируемых объектов, естественной мерой которого является их температура.

В распространившейся шкале Цельсия в качестве опорных точек приняты температура замерзания (0 °С) и кипения (100 °С) воды. Рабочими веществами в этой шкале служат спирт или ртуть.

3.
Суммарная относительная излучательная способность e(Т) (степень черноты) нормального излучения различных материалов

Если начало отсчета установлено от абсолютного нуля температур, то получаем абсолютную термодинамическую шкалу, единицей которой служит градус К. Значения температур по этим шкалам соотносятся Т = t + 273,15 К. Одной из возможных реализаций термодинамической температурной шкалы являются показания газового термометра постоянного объема.

Международная практическая температурная шкала (МПТШ) основана на шести реперных точках, соответствующих температурам равновесия фазовых переходов ряда веществ, численные значения которых определены в ряде стран по термодинамической шкале с большой точностью. Обозначения температуры и ее единицы в МПТШ такие же, как и в термодинамической шкале, т.е. t и °С или Г и К.

Для определения температур в промежуточных точках МПТШ служат эталонные приборы - платиновый термометр сопротивления в диапазонах (0... 630 °С и -182,97... 0 °С) и платинородийплатиновой термопары (630... 1063 °С).

Однозначная связь между мощностью и спектром излучения и температурой тела существует только для АЧТ. Для реальных объектов введены понятия эквива-лентных температур.

1. Радиационной или энергетической температурой Т3 серого излучателя с истинной температурой Ги назы-вается такая температура АЧТ, при которой его яркость равна яркости данного излучателя. Очевидно, что

2. Яркостной температурой серого излучателя Тя и истинной температурой Ти называют такую температуру АЧТ, при которой его спектральная яркость для некоторой длины волны l равна спектральной яркости
данного излучателя при той же длине волны:

3. Цветовой температурой Тц серого излучателя с истинной температурой Ти называют такую температуру Тц АЧТ, при которой «цвета» их излучений совпадают:

где l1 и l2- длины волн, на которых сравнивается цветность излучения.

При определении температуры изделий, находящихся в непосредственной близости от высоконагретых тел, необходимо учитывать излучение фона, отраженное от объекта контроля.

При контроле реальных объектов необходимо учитывать также эффекты ослабления ИК-излучения в атмосфере или среде, отделяющих изделие от детектора. Спектр пропускания ИК-лучей атмосферой имеет два характерных «окна» прозрачности (...5 и 8... 14 мкм).

Закон Бугера описывает поглощение в среде:

где Ф - поток, прошедший среду толщиной l; Ф0 - исходное значение потока; k - натуральный показатель ослабления, учитывающий поглощение и рассеяние из-лучения.

Аналогичное выражение справедливо для монохроматических потоков Фl и Фоl.

Лекция 14

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: