Радіофізичні методи діагностики матеріалів і середовищ



Сторінка8/24
Дата конвертації09.03.2016
Розмір5.77 Mb.
1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   ...   24

3.4 Первинні перетворювачі оптичного випромінювання


Випромінювання оптичного діапазону можуть перетворюватися у видиме зображення (інфрачервоне й ультрафіолетове) або в електричний сигнал.

Первинні вимірювальні перетворювачі світлового випромінювання в електричний сигнал є основою автоматизованих пристроїв неруйнівного оптичного контролю. Як первинні вимірювальні перетворювачі використовують: фоторезистори, фотодіоди, фототранзистори, вакуумні фотоелементи й фотоелектронні помножувачі, матриці на базі напівпровідникових матеріалів і передавальні телевізійні трубки [23–26].

1. Фоторезистори та вакуумні фотоелементи мають найкращі метрологічні характеристики під час перетворення інтенсивності світла в електричний сигнал. Фоторезистори можуть забезпечити реєстрацію невеликих світлових потоків у широкому спектральному діапазоні довжин хвиль падаючих фотонів, особливо під час охолодження їх до кріогенних температур (охолоджувані болометри). Їх недоліком є нелінійність світлової характеристики та виявлювана іноді інерційність. Вакуумні фотоелементи мають лінійну світлову характеристику, але оскільки в них використовується зовнішній фотоефект, їх чутливість невелика, а спектральний діапазон роботи менший, що проявляється особливо сильно поблизу «червоної межі» для квантів із малою енергією. Ці властивості обумовлюють застосування вакуумних фотоелементів для точних світлотехнічних вимірювань.

2. Фотодіоди та фототранзистори мають високу чутливість, але недостатньо стабільні характеристики (сильна залежність від температури). Тому вони застосовуються в тих випадках, коли сигнал носить імпульсний характер і невеликі зміни їх параметрів не роблять істотного впливу на результати контролю.

3. Фотоелектронні помножувачі мають характеристики, подібні фотоелементам, але володіють порівняно з ними високою (в 10–104 рази) чутливістю до освітленості. Значно більші шуми і необхідність високовольтного живлення обмежують сферу їх застосування.

У зв'язку з досягненнями мікроелектронної технології починають широко використовувати матричні прилади [25] у вигляді лінійок або пластин із напівпровідникових елементів з упорядкованим розташуванням виведень та прилади із зарядним зв'язком. Ці прилади служать базою для апаратури оптичного неруйнівного контролю, що сприймає оптичні сигнали в просторі шляхом їх квантування та подальшої дискретної обробки. На їх основі будуються також твердотілі аналоги електронно-променевих вакуумних трубок, що дозволяють отримати електричні сигнали про розподіл освітленості в просторі.



4. Електронно-променеві вакуумні передавальні трубки перетворять сформоване на їх вхідні мішені зображення в упорядковану послідовність електричних сигналів, що дає можливість отримувати та обробляти великий обсяг інформації про контрольований об'єкт. Для роботи електронно-променевих передавальних трубок необхідні високовольтний блок живлення електродів трубки, блок живлення електромагнітного фокусування, генератори малої та кадрової розгорток. Тому конструкція передавальної камери з електронно-променевою трубкою є складною та вимагає якісного настроювання. Серед різних видів передавальних електронно-променевих трубок найбільш часто застосовують такі: відикон, суперортикон і дисектор.

Суперортикон – передавальна електронно-променева вакуумна трубка, що використовує зовнішній фотоефект. За рахунок перенесення електронів, що з'явилися внаслідок впливу квантів падаючого світла на двосторонню накопичувану мішень і застосування внутрішнього фотоелектронного множення, він має дуже високу чутливість порівняно з іншими трубками. Однак його недоліки – складність у виробництві та експлуатації, великі спотворення зображення при потраплянні на мішень елементів зображень із великою яскравістю обмежують його застосування.

Відикон – електронно-променева вакуумна трубка, що використовує внутрішній фотоефект із накопиченням зарядів. Відикон має меншу чутливість, ніж суперортикон, і дещо гірше передає швидко рухомі зображення. Спектральні характеристики відикона визначаються матеріалом фотокатода. Наприклад, мішені для роботи у видимому діапазоні світла виготовляють зі сполук сурми, селену, миш'яку, сірки; в інфрачервоному – із сульфіду свинцю; в ультрафіолетовому – із селену, що володіє широкою спектральною характеристикою. На базі відикона створені інші електронно-променеві трубки, наприклад плумбікон і кремнікон, в яких реалізовані останні досягнення напівпровідникової технології і використовуєть більш складні мішені, що дозволяє збільшити чутливість і знизити інерційність трубки.

Дисектор – електронно-променева передавальна вакуумна трубка без накопичення заряду, що використовує зовнішній ефект. Вона містить фотокатод, секцію фокусування та розгортки зображення, а також вторинно-електронний помножувач. Дисектори, що випускаються промисловістю, мають хороші експлуатаційні показники (механічна міцність, стійкість до несприятливих зовнішніх впливів і т. д.), лінійну світлову характеристику, дають можливість отримати високу роздільну здатність за яскравістю та в просторі (окремі екземпляри до 3000 рядків).
  1. 3.5 Основні методи оптичного контролю

  2. 3.5.1 Візуально-оптичні методи контролю


Мінімальний розмір дефекту, який чітко виявляється при візуальному контролі, залежить від характеру досліджуваного об'єкта (зокрема, чим грубіші його поверхня та структура, тим більший розмір виявленого дефекту), рівня яскравості та напрямку освітлення, контрасту між дефектом і фоном, тобто від перепаду яскравостей, кольорів або відбивних здатностей, а також від особистих якостей оператора (зору, досвіду і т. д.). Орієнтовно вважають, що при візуальному контролі оператор із нормальним зором на відстані найкращого зору впевнено виявляє дефекти з мінімальним розміром 0,1 мм у площині, перпендикулярній до лінії спостереження.

Візуально-оптичним називають неруйнівний контроль якості із застосуванням оптичних засобів, що дозволяють істотно розширити межі природних можливостей органів зору людини. Він є технічним продовженням візуального контролю, дає можливість виявляти більш дрібні дефекти та проводити вимірювання з високою роздільною здатністю (1–5 мкм). Звичайно проводять багатоступінчастий контроль: оглядають поверхню виробу без оптичних засобів, виявляючи великі дефекти та підозрілі місця, вивчають ці місця через лупу (однолінзовий мікроскоп), а потім досліджують окремі ділянки контрольованого виробу за допомогою багатолінзового мікроскопа, послідовно підвищуючи кратність його збільшення. При правильному виборі умов візуально-оптичного контролю розміри елементів об'єкта або мінімальних дефектів (у мм), які можна виявити, зменшуються відповідно з оптичним збільшенням пристрою:

. (3.2)

Лупи призначені для оптичного контролю близько розташованих елементів зображення при невеликому збільшенні ( ) і, як правило, при ручному контролі. Зручність роботи з ними визначається тим, що їх легко переміщати по контрольованому об'єкту, а зона огляду лупи порівняно велика.



Оскільки для луп і мікроскопів із великим збільшенням глибина різкості зменшується, проведення контролю за їх допомогою ускладнюється та вимагає більшого часу для фокусування зображення (пошуку відстані найкращого бачення).

Лупи мають різне конструктивне оформлення відповідно до варіантів їх застосування: оглядові – для контролю одночасно двома очима; налобні у вигляді збільшувальних окулярів; складні, зокрема – кишенькові, вартові, телескопічні. Оптична частина лупи може складатися з однієї лінзи або декількох скріплених між собою, що дає можливість скорегувати частину аберацій і отримати зображення хорошої якості. Лупи з малим збільшенням ( ) використовують для пошуку дефектів і дефектних зон, а з великим ( ) – для їх аналізу та виявлення дефектів мінімально можливих розмірів. Щоб максимально використовувати можливості лупи під час проведення візуально-оптичного контролю, її (крім великих бінокулярних луп) потрібно тримати якомога ближче до ока, оскільки в цьому разі сприймається найбільша кількість променів, що йдуть від контрольованого об'єкта, і знижується вплив відбиттів (відблисків) від сторонніх предметів і лінзи. Лупа розміщується, як правило, паралельно контрольованій поверхні, що підвищує продуктивність і достовірність візуально-оптичного контролю.

Мікроскоп є оптичним багатолінзовим пристроєм для спостереження елементів, не видимих неозброєним оком, що має регулювання оптичних властивостей. Він дає можливість отримати якісне збільшене зображення, причому збільшення може досягати 2000 разів, а лінійна просторова здатність – 0,5 мкм. Мікроскопи дозволяють проводити візуально-оптичний контроль при різних режимах освітлення та збільшення, а також за різними методиками. Лінзові системи є апланатичними, тобто для них виконується умова синусів

nко sin ψко = Kув nзо sin ψзо, (3.3),

де і nзо – показники заломлення середовища в просторі предметів і в просторі зображень; і ψзо – апертурні кути в просторі предметів і зображень.

За допомогою мікроскопів і пристроїв, побудованих за тим самим принципом, вирішуються такі завдання неруйнівного контролю якості: вимірювання геометричних розмірів і форми малогабаритних виробів, виявлення дефектів малих розмірів (до часток мікрометра) із високою роздільною здатністю за їх просторовим розташуванням, контроль фізико-хімічних властивостей і стану матеріалів (внутрішніх положень) за їх оптичними характеристиками, контроль внутрішньої будови малогабаритних виробів або їх частин, розміщених у прозорому або напівпрозорому матеріалі.

Ендоскопом називають пристрій, забезпечений освітлювачем і оптичною системою для огляду внутрішньої поверхні об'єктів із порожнинами. Ендоскопи дозволяють здебільшого вирішувати завдання дефектоскопії та контролю будови виробів шляхом перенесення видимого зображення з недоступної зони до оператора. Порівнюючи ендоскопи з іншими пристроями, придатними для вирішення аналогічних завдань, і насамперед із малогабаритними телевізійними камерами, що розміщуються в порожнині, потрібно зазначити, що гнучкі ендоскопи мають набагато менші розміри поперечного перерізу. Це дає можливість вводити їх через дуже малі отвори об'єкта в порожнини та канали складного профілю, якщо радіус вигину при повороті ендоскопа в порожнині більше п'яти діаметрів джгута.



  1. 3.5.2 Фотометричні методи контролю


Методи, що базуються на вимірі величин, що характеризують світлове випромінювання, шляхом перетворення їх в електричний сигнал та обробки його вторинними блоками. Вони знайшли велике поширення, оскільки добре вписуються в технологічний процес. До таких методів можна умовно віднести фотометричний, денситометричний, колориметричний і деякі різновиди поляризаційного та спектрального методів. Фотометричний метод передбачає вимірювання вторинної освітленості, яскравості, світлового потоку або інтенсивності світлового випромінювання, отриманого після взаємодії з контрольованим об'єктом. Використання тієї чи іншої фізичної величини залежить від конкретної реалізації методу, обраної оптичної системи та первинного вимірювального перетворювача. Денситометричний метод полягає в тому, що вимірюється оптична густина, або коефіцієнт пропускання. Поляризаційний метод відрізняється використанням поляризованого світла й аналізом поляризації компоненти, що пройшла. Колориметричний метод полягає в аналізі колірних складових світла або їх відношення. При реалізації цих методів основний процес вимірювання або перетворення може бути зведений у багатьох випадках до фотометричного, тому розглянемо його як основний варіант побудови апаратури та відзначимо особливості в реалізації інших методів.

Фотометричний і подібні йому методи можуть бути застосовані для вирішення таких завдань неруйнівного контролю: вимірювання геометричних розмірів і площ, контроль коефіцієнта загасання, пропускання або відбиття, дефектоскопія. Прилади, що реалізують фотометричний метод, зазвичай працюють у прохідному випромінюванні та мають дві оптичні системи. Оскільки первинні вимірювальні перетворювачі світлових величин в електричні сигнали найчастіше мають нелінійні світлові характеристики, а їх стабільність недостатня, застосовують спеціальні способи побудови приладів, щоб ці недоліки мали мінімальний вплив. У приладах для контролю геометричних розмірів часто застосовують спостережні системи, а також фотокомпенсаційний, фотоімпульсний, растровий способи та ін.

Фотокомпенсаційний спосіб передбачає порівняння двох світлових потоків, один з яких частково перекривається контрольованим об'єктом, а інший – спеціальною пластиною, положення якої за рівності світлових потоків визначає геометричний розмір об'єкта. Фотоспостережний спосіб полягає у переміщенні за допомогою спостережної системи фотоелектричного перетворювача, що відзначає положення межі «світло-тінь», створюваної при висвітленні контрольованого об'єкта, та реєстрації його параметрів за положенням перетворювача.

Фотоімпульсні прилади мають найбільше поширення та, по суті, використовують перетворення лінійного розміру в електричний імпульс, тривалість якого пов'язана з вимірюваним розміром і швидкістю руху моделювального елемента. Застосування растрових пристроїв дозволяє дискретизувати світловий потік, що йде від контрольованого об'єкта, й отримати послідовність імпульсів, число яких пов'язане з розмірами контрольованого об'єкта.

У пристроях на принципі фотоімпульсного перетворювача можуть бути застосовані лінійні матриці на базі приладів із зарядним зв'язком, на виході яких відразу отримують послідовність імпульсів, пов'язаних із поперечним розміром, що істотно спрощує побудову приладів для контролю геометричних розмірів фотометричним способом і забезпечує кращі метрологічні показники.

  1. 3.5.3 Контроль телевізійними методами


Основою застосування телевізійних методів є електронно-вакуумні передавальні телевізійні трубки [23–26], що дозволяють перетворити видиме зображення у впорядковану послідовність – відеосигнал. Найбільшого поширення в телевізійних системах для неруйнівного контролю мають відикон і дисектор. Сигнали, отримані від передавального телевізійного блока, далі можуть використовуватися по-різному: для формування видимого зображення, що аналізується оператором, для логічної обробки сигналів і виділення інформації про контрольований об'єкт або для введення в комп'ютер.

Відзначимо основні переваги телевізійного методу порівняно з візуальним і візуально-оптичним:

1) можливість одночасної оцінки зображення на декількох екранах групою операторів, що особливо істотно під час роботи з мікроскопом, ендоскопом та іншими подібними пристроями;

2) робота з великими зображеннями, одержуваних за рахунок електронного збільшення таким чином, що загальне збільшення становитиме

; (3.4)

3) передача й аналіз зображення практично на будь-які відстані від контрольованого об'єкта;



4) можливість запису, обробки зображення та його поліпшення шляхом усунення перешкод із використанням методів, широко застосовуваних у телеметричних системах;

5) простота проведення контролю для об'єктів різної форми;

6) широкі можливості автоматизації контролю та використання його результатів, оброблених на комп'ютері, для їх фіксації, аналізу, а також управління ходом технологічного процесу.

Більшу частину цих переваг дозволяє реалізувати апаратура або пристрої, які можуть бути побудовані на базі серійних блоків і систем. Такі пристрої називають системами промислового телебачення та телевізійної автоматики. Крім того, деякі спеціальні пристрої, що створюють на виході видиме зображення, по суті, побудовані на основі принципів, характерних для телевізійної техніки.



  1. 3.5.4 Інтерференційні методи контролю


Відмітною рисою інтерференційних методів оптичного контролю є взаємодія двох потоків світла. До інтерференційних методів належать: інтерферометричний, дифракційний, фазово-контрастний, рефракто­метрич­ний і голографічний. Вони базуються на зміні енергії та фази вторинних потоків після взаємодії з контрольованим об'єктом, його елементами або частинами. Оскільки величиною, що визначає набіг фази, є довжина хвилі, інтерференційні методи забезпечують вимірювання та контроль параметрів об'єктів до часток довжини хвилі. Зазвичай похибка або роздільна здатність такого роду апаратури становить . У зв'язку з високою роздільною здатністю та чутливістю цих методів велика увага має бути приділена незмінності умов контролю, зокрема числі й параметрів навколишнього середовища. Інтерференційні методи успішно застосовуються для високоточного вимірювання геометричних розмірів, фізико-хімічних властивостей (насамперед оптичних), рідше – для дефектоскопії та контролю внутрішньої будови виробів.

  1. 3.5.5 Голографічні методи


Унікальні властивості лазерного випромінювання зробили реальним застосування голографічних методів у неруйнівному контролі. Як відомо, голограма – це отримана певним чином фотопластинка з відбитими на ній інтерференційними лініями, під час висвітлення якої когерентними коливаннями формується потік світла, що створює видиме об'ємне зображення сфотографованого об'єкта. Безпосереднє використання властивостей фіксованого тривимірного зображення виробу в неруйнівному контролі має таке саме значення, як звичайна фотографія, – отримання і зберігання документа, однак така, що містить набагато більшу інформацію, оскільки зображення має об'ємність і розподіл світла, зареєстрованого з точністю до часток його довжини хвилі.

Голограми можуть бути отримані фізичним шляхом за допомогою оптичних установок або розрахунковим шляхом за допомогою комп'ютера та спеціальних графічних пристроїв (бінарні голограми). Оскільки голограму отримують за рахунок інтерференції світлових хвиль, що пройшли різний шлях до реєструвальної фотоплівки, необхідні висока когерентність, монохроматичність і стабільність джерела світла, що особливо істотно при великих різницях ходу променів. Найкращі із сучасних лазерів можуть забезпечити виконання необхідних умов при відстанях до 30 м. Дві інтерференційні лінії на голограмі знаходяться на відстані , де – кут між напрямками сигнального й опорного променів. Оскільки найменша відстань між лініями на голограмі приблизно дорівнює довжині світла, тобто у видимому діапазоні 0,35–0,75 мкм, то плівка для голографії повинна мати високу роздільну здатність – 2000–5000 рядків/мм. Робота з такою плівкою вимагає великої освітленості та значного часу експозиції. Під час експозиції необхідно витримувати сталі показники навколишнього середовища, оскільки їх зміни не повинні призводити до появи збільшень електричної довжини в одного з променів більш ніж на чверть довжини хвилі, інакше структура інтерференційних смуг буде порушуватися (змазуватися, розпливатися). Зазначені особливості ускладнюють широке впровадження голографічних методів у неруйнівному контролі якості.

Розрахункові (бінарні) голограми отримують шляхом обчислення для конкретних умов контролю результуючих амплітуд і фаз у площині голограми на комп'ютері. Отримані значення виводяться на будівник графічного зображення або передаються по каналах зв'язку в приймальний центр. Потім зображення перефотографовуються у зменшеному масштабі так, щоб лінії голограми на фотографії знаходилися на відстанях, порівнянних із довжиною хвилі світла, що відновлює зображення. Розрахунковий спосіб створення голограм дозволяє мати їх для ідеальних об'єктів, що реально не існують, виготовляти фільтри з наперед заданими властивостями та передавати голографічну інформацію. Особливо ефективно для цілей неруйнівного контролю застосування розрахункових голограм, коли виріб повинен мати форму, точно описувану математичними формулами (циліндр, сфера, параболоїд і т. д.) при малих допустимих відхиленнях від неї.

1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   ...   24


База даних захищена авторським правом ©refs.in.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка