Радіофізичні методи діагностики матеріалів і середовищ



Сторінка9/24
Дата конвертації09.03.2016
Розмір5.77 Mb.
1   ...   5   6   7   8   9   10   11   12   ...   24

3.6 Практичні схеми реалізації оптичного контролю

  • 3.6.1 Пристрій і принцип роботи вимірювального мікроскопа


    До складу типового мікроскопа входять: освітлювач, предметний столик, що переміщається щодо корпусу мікроскопа, і збільшувальна частина. Найбільш складні мікроскопи для вимірювальних цілей містять електронні системи цифрового відліку, а також перетворювальну телевізійну установку для передачі та обробки зображення. Як правило, мікроскоп працює з джерелом штучного світла, що створює велику освітленість контрольованого об'єкту необхідного спектрального складу та напряму світла.

    Вихідний світловий потік найчастіше має вигляд паралельного пучка променів або спеціальну будову (сходиться або розходиться, зі світлими або темними місцями, із різними мітками і т. д.).

    Збільшувальна частина мікроскопа призначена для отримання зображення, зручного для оперативного аналізу при контролі різних об'єктів у вибраному режимі. Типовий варіант побудови збільшувальної системи мікроскопа зображений на рис. 3.1 [1]. Для розширення можливостей у збільшувальній частині мікроскопа також є елементи, що змінюють світловий потік, а освітлювач може розміщуватися по-різному (ОС1 або ОС2).

    Від освітлювача ОС1 світло падає на лінзу Л3 (робота у світлому полі) або Л4 (робота в темному полі) та через діафрагму Д3 і маску МС напрямляється на складні дзеркала ДЗ2 і ДЗ3. Дзеркало ДЗ2 виконане прозорим і відбиває світловий потік, що пройшло крізь лінзу Л3 у лінзовий об'єктив ОБ, що висвітлює ділянку контрольованого об'єкта КО. Через цей самий об'єктив ОБ і дзеркало ДЗ2 промені світла після взаємодії з контрольованим об'єктом спрямовуються для аналізу крізь фільтр Ф3 і лінзи Л6 до дзеркал ДЗ4 і ДЗ5. Таким шляхом проходить світловий потік під час роботи у світлому полі, коли кут падіння променів світла близький до нуля. Під час роботи в темному полі, коли добре відбивна полірована поверхня здається чорною, світловий потік через периферійну частину лінзи Л4 потрапляє на дзеркало ДЗ3 і далі на дзеркало ДЗ6, яке має назву епіоб'єктива, що виконується у вигляді круглого кільцеподібного металевого дзеркала з внутрішньою параболічною відбивною поверхнею, яке формує косе ( ) освітлення. Центральна частина світлового потоку в цьому варіанті висвітлюється перекривальною діафрагмою Д3, щоб не було прямого відбиття світла в об'єктив. Хід променів світла після взаємодії з контрольованим об'єктом в обох випадках однаковий.

    Рисунок 3.1 – Функціональна схема вимірювального мікроскопа: КО – контрольований об'єкт; ПС – предметний столик; ОБ – лінзовий об'єктив; ВС – вимірювальна система; ОС – освітлювач; ДЗ – дзеркало; Л – фокусувальні лінзи; МС – маска; Д – діафрагма; Ф – фільтр

    Промені світла, що несуть корисну інформацію у вигляді зображення ділянки контрольованого об'єкта КО, відбиті від дзеркала ДЗ4, крізь окуляр ОК спостерігаються оператором. Якщо прибрати дзеркало ДЗ4, то промені потрапляють в окуляр Л8, що після відбиття їх від дзеркала ДЗ5 формує зображення на пластині ПЛ, яка може бути матовим екраном під час роботи в проекційному режимі або фотопластинкою під час фотографування. Отримання чіткого зображення забезпечує його фокусування шляхом переміщення об'єктива ОБ у напрямку лінії візування (головної оптичної осі) за допомогою ручки фокусування РФ, пов'язаної з відліковим мікрометричним пристроєм відліку відстані. Безпосередньо в об'єктиві, окулярі або біля них установлюється вимірювальна сітка ВС із розподілами, ціна яких залежить від збільшення мікроскопа. Ця сітка забезпечує проведення відліків довжини в площині, перпендикулярній до лінії візування, і може бути проградуйована за еталонами або за допомогою мікрометричних відлікових пристроїв.

    Предметний столик ПС є базою, на якій розміщується контрольований об'єкт КО, для чого до нього надається набір приладдя: спеціальні затиски, пружинні тримачі, додаткові кільця та насадки тощо. Предметний столик дозволяє переміщати об'єкт КО у напрямках, перпендикулярних до лінії візування, що здійснюється ручками відповідних координатних переміщень РП, пов'язаних із предметним столиком ПС відліковими мікрометричними пристроями.

    Освітлювальна частина мікроскопа ОС2 для роботи в прохідному освітленні виконана у вигляді лампи розжарювання об'єктива, фільтра та діафрагми, вкладених у загальний корпус. Такий освітлювач може легко розміщуватися в необхідному положенні при оптимальному куті падіння світла та фіксувати його.

    Залежно від розв'язуваної задачі контролю якості мікроскоп можна використовувати для роботи в таких режимах освітлення: у прохідному та відбитому світлі різного спрямування; із білим або монохроматичним світлом, довжина хвилі якого визначається фільтрами; із поляризованим і неполяризованим світлом, при висвітленні світловим потоком різної структури, створюваної масками. У частині мікроскопа, де відбувається обробка світлового потоку після взаємодії з контрольованим об'єктом, також можливі різні режими роботи, застосування яких доцільне з урахуванням його оптичних властивостей. Оптична система більшості мікроскопів налагоджується зазвичай на певну довжину хвилі (частіше 0,56 мкм), тому для отримання зображень найкращої якості використовують монохроматичне світло. Відзначимо найбільш поширені режими роботи мікроскопів.

    Основний режим роботи мікроскопа – освітлення білим світлом. Для отримання зображень, на яких чітко виділяється інформація про відхилення об'єкта від норми, встановлюють різні світлофільтри, причому смуга їх пропускання може бути близькою до довжини хвилі, що несе корисну інформацію, або, навпаки, є додатковою до неї, що підвищує контрастність зображення та будуть різко виділятися сторонні елементи і деталі: дефекти, різні включення і т. п. Робота в темному полі особливо ефективна під час вивчення поверхневих дефектів або при контролі поверхонь із особливими оптичними властивостями, а також при контролі прозорих об'єктів.



    1. 3.6.2 Схеми побудови ендоскопів


    Залежно від виду контрольованого об'єкта, умов і цілей проведення контролю кінцева частина ендоскопа може компонуватися шляхом різних сполучень елементів оптичних систем (лінз, призм, дзеркал тощо) і джерела освітлення. На рис. 3.2 показано кілька схем типових варіантів контролю та розміщення основних елементів, що забезпечують різні варіанти огляду внутрішньої поверхні контрольованого об'єкта. Ендоскоп містить: освітлювальний джгут 1, освітлювальну оптичну систему 2, джерело світла, об'єктив 3, оглядовий (регулярний) джгут 4, окуляр, захисну оболонку 5 і пристрої керування. За технологічними ознаками ендоскопи виконуються жорсткою, напівжорсткою і гнучкою конструкціями.
    Рисунок 3.2 – Основні види ендоскопів для огляду внутрішніх поверхонь: а – прямий; б – регульований у півсфері; в – бічний; г – панорамний; д – кутовий; е – ретроспективний (1 – освітлювальний джгут, 2 – освітлювальна оптична система, 3 – об'єктив, 4 – оглядовий джгут (регулярний), 5 – захисна оболонка)
    Ендоскопи жорсткої конструкції легше фіксуються в зоні контролю. Жорсткі ендоскопи виготовляють на базі лінзово-дзеркальних оптичних систем, що містять до 50 оптичних елементів, а їх можливості подібні до мікроскопів. Ендоскопи гнучкої конструкції найбільш універсальні, оскільки добре вводяться в порожнини складної конфігурації по криволінійних каналах, провідних до порожнини, і виготовляються на основі волоконно-оптичних світловодів, зібраних у джгути. Під час використання таких ендоскопів необхідно мати на увазі, що доставлене до оператора зображення дещо спотворюється порівняно з тим, що проектується на вхідний торець світловідного джгута. Зокрема, елементарні світлові потоки деполяризуються, по-різному запізнюються в часі, зображення має зернисту структуру, а контраст дещо порушується за рахунок різного загасання світла в окремих волокнах джгута та різного пройденого шляху, наприклад через непередбачувані вигини та переплетення волокон, а також неідеальності їх відбивної поверхні.

    Оскільки ендоскоп є фактично пристроєм, що переносить зображення в просторі та працює в реальному масштабі часу, він може успішно використовуватися з іншими пристроями фіксації та обробки зображень, наприклад телеапаратурою. Умови освітлення легко змінюються, оскільки джерело світла винесене за межі порожнини та його потужність можна збільшити до необхідного значення, незважаючи на габарити.

    Роздільна здатність ендоскопа гнучкої конструкції обмежена роздільною здатністю волоконно-оптичного джгута й оптичної частини ендоскопа. Щоб повніше використовувати можливості ендоскопа, прагнуть до приблизної рівності лінійного дозволу в полі зору й роздільної здатності регулярного джгута. У цьому разі мінімально допустимий діаметр торця джгута становитиме

    , (3.5)


    де DПЗ – лінійний розмір поля зору ендоскопа, мм; і – роздільні здатності за полем зору ендоскопа та волоконно-оптичного джгута відповідно, мм-1.

    За допомогою ендоскопа можна оцінити лінійні розміри елементів виробу шляхом порівняння їх між собою або за вимірювальною шкалою, однак точність у цьому разі невисока, оскільки важко визначити збільшення ендоскопа (масштаб зображення).



    1. 3.6.3 Структурна схема телевізійної установки для оптичного контролю об'єктів


    Основним обладнанням під час реалізації телевізійних методів є промислова телевізійна установка (ПТУ), що становить замкнену телевізійну систему, сигнали якої найчастіше передаються по кабелях. Промислові телевізійні установки є самостійними одиницями та часто можуть бути безпосередньо використані для проведення оптичного телевізійного контролю при відповідному виборі з номенклатурою, що широко випускається. Структурна схема (рис. 3.3) показує основні функціональні блоки типової ПТУ. Її передавальна частина має від 1 до 32 телекамер (ТК1, ТК2) із пристроями наведення (ПН1, ПН2) та оптичними блоками (ОБ1, ОБ2). У загальному випадку оптичні блоки ОБ1, ОБ2 – це набір об'єктивів із різними оптичними системами, зміна яких може проводитися дистанційно. Промислові телевізійні системи використовують передавальні трубки типу «відикон» різних марок. Пристрої наведення ПН1, ПН2 – механічного типу – можуть повертати телевізійну камеру дистанційно за сигналами керування на кут у горизонтальній площині та на кут у вертикальній площині. Всі електричні з'єднання телекамер між собою та з приймальною частиною виконані за допомогою розподільних коробок РК1 на передавальній і РК2 на приймальній сторонах. З'єднуються ці коробки між собою магістральним коаксіальним кабелем МК1, по якому йдуть відеосигнали, імпульси синхронізації та розгортки, кабелем керування КК2, по якому передаються живлячі напруги, а також сигнали керування телекамерами і блоками. Типова довжина кабелів становить 100–1000 м, з лінійним підсилювачем ЛП і додатковими кабелями (МК3 і КК4) до 5 км. На приймальній стороні відеосигнали від розподільної коробки РК2 через центральний блок комутації та керування БК надходять на підсилювач-розподільник ПР, що забезпечує електричними сигналами всі відеоконтрольні пристрої ВКП, кількість яких може бути також різною (частіше 1–4). Відеоконтрольні пристрої ВКП1, ВКП2 забезпечені пультами керування ПК1, ПК2, частина яких зроблена виносними, що дозволяє керувати дистанційно режимом роботи системи в цілому.

    Рисунок 3.3 – Структурна схема промислової телевізійної установки


    Типові промислові телевізійні системи забезпечують 6–7 градацій яскравості при освітленості 50–300 лк і чіткості зображення близько 500 ліній у растрі. Застосування відиконів спеціального виконання дає можливість використовувати телевізійні методи в разі невидимих випромінювань (інфрачервоні, рентгенівські). Телевізійні сигнали можуть бути приведені до більш зручного вигляду блоками вторинної обробки БВО.

    У багатьох випадках має сенс застосовувати кольорові телевізійні установки або проводити колірне контрастування зображення, що підвищує достовірність контролю. Однією з істотних складових похибки в товщинометрії є вплив нелінійності зображення вздовж екрана, створюваної відхильними системами трубок. Для зниження цієї похибки вихідний екран градуюють за допомогою тест-об'єктів чи координатних сіток, або поміщають їх у зону контролю. Якщо відомо передбачуваний напрямок дефектів, то потрібно розміщувати приймальну телевізійну камеру так, щоб рядки були перпендикулярними до цього напрямку, оскільки при цьому знижується ймовірність пропуску дефектів. Телевізійні методи дозволяють виявляти дефекти, мінімальний розмір яких дорівнює

    (3.6)

    де – число рядків або число елементів зображення в рядку.



    1. 3.6.4 Застосування телевізійної автоматики для оптичного контролю об'єктів


    Контроль розмірів об'єктів може здійснюватися в напівавтоматичному й автоматичному режимах різними способами. При цьому похибки вимірювань в обох випадках залежать від обраного способу контролю й у кращому разі становлять кілька сотих часток відсотка. Напівавтоматичні способи відрізняються тим, що визначення вимірюваної величини виконує оператор за допомогою зображення на екрані відеоконтрольного пристрою. Автоматичні методи передбачають отримання вимірюваної величини безпосередньо автоматом у вигляді показання вихідного індикатора, цифрового коду або інших сигналів.

    Контроль форми виробів і вимірювання геометричних розмірів за зображенням на екрані відеоконтрольного пристрою (напівавтоматичний контроль) виконують такими способами: із координатною сіткою або контрольною лінійкою, повним або частковим вимірюванням.

    Спосіб повного вимірювання відстані між краями чи характерними точками виробу застосовують для контролю великогабаритних виробів або напівфабрикатів. Він полягає в тому, що на відеоконтрольному пристрої добиваються збігу цих точок із центром екрана шляхом повороту телекамери. Вимірявши кути її повороту щодо центрального положення ( і ) і знаючи відстань від телекамери до виробу, можна знайти шуканий розмір:

    , (3.7)


    провівши обчислення за допомогою спеціального пристрою. Похибка відомих напівавтоматів повного виміру для значень довжин 2–60 м може становити 3–50 мм, тобто досягає 0,1 %.

    Способи вимірювання часткової відстані полягають у визначенні не всього розміру , а лише його крайової частини із двох боків, тобто фактично лише прирощення довжини щодо сталої бази . На рис. 3.4 показане розташування телекамер і зображення для двох варіантів застосування цього способу. Природно, якщо база відома з високою точністю і досить стабільна, відносна похибка вимірювань істотно знижується та визначається сумою абсолютних похибок вимірювання та установки бази. Реалізація цього способу може проводитися з використанням однієї (рис. 3.4 а) або двох (рис. 3.4 б) камер і відеоконтрольних пристроїв. Вимірявши за екраном прирощення розміру щодо бази, можна знайти ширину:

    , (3.8)

    де – градуювальний коефіцієнт екрана відеоконтрольного пристрою; – розмір, прочитаний на екрані.



    Автоматичне вимірювання геометричних розмірів телевізійними методами може здійснюватися такими способами: часово-імпульсне перетворення, оптична дискретизація зображення та спосіб граничних струмів.
    а б
    Рисунок 3.4 – Схеми телевізійних вимірювань розмірів: а – одною телекамерою; б – двома телекамерами (1 – контрольований об'єкт, 2 – пристрій установки бази, 3 – телевізійні камери, 4 – відеоконтрольний пристрій, 5 – дзеркала)

    1. 3.6.5 Принцип роботи та схема інтерферометра


    Для вирішення завдань неруйнівного контролю можуть застосовуватися інтерферометри – стандартні вимірювальні прилади, поширені в техніці точних геометричних вимірювань. Вони дозволяють вимірювати різні геометричні розміри, зокрема товщини прозорих покриттів, з похибкою до 0,1 мкм, шорсткості та нерівності на досліджуваній поверхні такого самого порядку. На рис. 3.5 а показана схема конструкції мікроінтерферометра для контролю якості поверхні шляхом порівняння з еталоном поверхні, а на рис. 3.5 б – вигляд зображення в полі зору інтерферометра за наявності дефектів на поверхні (тріщини та виступи).

    а б


    Рисунок 3.5 – Конструктивна схема інтерферометра й інтерференційна картина за наявності виступу та западини
    Джерело світла ДС (лампа розжарювання, лазер) за допомогою конденсора Л1–Л2 формує світловий потік. Виділена монохроматичним фільтром Ф і діафрагмою Д1 його частина потрапляє на напівпрозоре дзеркало ДЗ4 і ділиться на два когерентні пучки. Один із пучків фокусується на контрольований об'єкт КО, поміщений на предметний столик ПС, а інший – на поверхню еталонного дзеркала ДЗ2. Відбиті промені через мікрооб'єктиви МО1, МО2 і напівпрозоре дзеркало ДЗ1 потрапляють в окуляри Л3, Л4, що містить ряд лінз, і обмежує діафрагму Д2. Накладаючись у поле зору, робочі й еталонний світлові потоки утворюють інтерференційну картину.

    У разі плоских поверхонь об'єкта й еталона інтерферограма матиме вигляд паралельних світлих (потоки накладаються у фазі) та темних смуг (фази протилежні). Наявність кривизни та дефектів поверхні (тріщин, западин, подряпин, рисок або напливів, виступів, задирів і т. п.) контрольованого об'єкта призводить до появи регулярно змінюваного або місцевої зміни набігу фази відбитого світлового потоку, що призводить до викривлення ліній інтерференційної картини (рис. 3.5 б). Це дозволяє виявити відхилення від площинності, дефекти та нерівності поверхні й оцінити їх величину. Так, при освітленні монохроматичним світлом глибина (висота) нерівності може бути оцінена за виразом

    , (3.9)

    де – вигин відповідної інтерференційної лінії, а – інтервал між інтерференційними лініями.



    Відношення оцінюється оператором або розраховується після вимірювання відповідних величин за допомогою вимірювальної сітки або мікрометричного гвинта інтерферометра. Таким чином, легко вивчаються мікропорушення поверхні розміром 0,1–1 мкм. Фокусуючи на різкість інтерференційні смуги послідовниками на граничні точки дефекту або по глибині прозорого контрольованого об'єкта, можна визначати дефекти у вигляді рисок або тріщин глибиною 20–100 мкм при ширині близько 0,25 мкм.

    Переміщення контрольованого об'єкта або еталонного дзеркала призводить до зміщення інтерференційних смуг, за якими можна знаходити абсолютні розміри елементів контрольованого об'єкта, товщину покриттів, глибину отворів тощо із високою точністю за відпрацьованими стандартними методиками.



    1. 3.6.6 Методики голографічного контролю


    Для проведення оперативного контролю необхідно здійснювати порівняння декількох предметів або змін, що відбуваються в одному й тому самому предметі. Для цього розроблені різні методики голографічного контролю. Частіше за інших контроль ведуть шляхом отримання інтерференційної картини на випробуваному об'єкті (метод «живих смуг») або методом подвійної експозиції (метод «заморожених смуг»).

    Якщо в область, де знаходиться відновлене зображення, помістити сфотографований на голограму предмет або йому подібний, то голографічне зображення та предмет, зважаючи на точний збіг світлових хвиль, здаватимуться єдиним цілим, маючи підвищену яскравість і контрастність. При суміщенні голографічного зображення виробу, що має номінальні параметри (контрольний зразок), із випробуваним збіг амплітуд і фаз у деяких місцях будуть порушені через відхилення його параметрів від номінальних значень і на випробуваному виробі з'являться інтерференційні смуги, викликані різницею ходу когерентних світлових променів від голограми та випробуваного об'єкта. Отримана інтерференційна картина залежить від конкретних відмінностей голографічної копії контрольного зразка та реального виробу, що дозволяє легко та точно виявляти відхилення у випробуваному виробі від контрольного зразка.

    Метод подвійної експозиції полягає в накладенні двох голограм фізичних зображень на одну плівку. Внаслідок відновлення такої складної подвійної голограми також виходить система інтерференційних смуг, що помітно виділяє ту область, де є відмінності в експонованих об'єктах.

    Голографічні методи виявились ефективними для проведення неруйнівного контролю в таких випадках:

    1. Контроль геометричних розмірів, оптичних властивостей і виявлення дефектів у високоякісних напівфабрикатів та виробів шляхом порівняння з еталоном або розрахунковою голограмою.

    2. Аналіз мікропереміщень і змін ділянок або деталей об'єктів із часом. Такий аналіз проводиться шляхом порівняння зробленої раніше голограми об'єкта з його справжнім станом. При цьому вдається визначити не лише невеликі зміни в геометричних та оптичних параметрах об'єкта, а й виявити незворотні зміни у вигляді мікротріщин та утомних змін.

    3. Контроль виробів у динамічних режимах, викликаних механічним навантаженням, нагріванням (охолодженням) або вібраційними навантаженнями. У всіх цих випадках відбувається зміна геометрії виробу та проводиться порівняння нового стану виробу з його колишнім топографічним зображенням. При навантаженні деформація в областях, ослаблених наявністю відхилень від норми або дефектів, виявляється дещо більшою, ніж за нормальними місцями, що призводить до викривлення інтерференційних ліній (рис. 3.6 б) і виявляє аномалії у виробі. Нагрівання або охолодження використовують при голографічному контролі виробів, що працюють при змінюваних температурах, наприклад елементи та блоки радіоелектронної апаратури (рис. 3.6 в, г).

    Цей вид контролю має великі перспективи, оскільки деформації від збільшення температури надзвичайно малі. Найпростішим варіантом голографічного контролю вібрувального об'єкта при періодичному характері коливань є реєстрація голограми в процесі вібрації. Оскільки голограма формується протягом часу, набагато більшого за період коливань вібрувальної деталі, найбільший вплив на фотоплівку дають два її крайні положення, коли миттєві значення швидкості дорівнюють нулю. У результаті виходять ніби дві голограми, накладені на одну плівку.


    а б в г


    Рисунок 3.6 – Приклади голографічних інтерферограм за наявності дефектів: а – до механічного навантаження; б – після навантаження; в – потужного транзистора при нормальній температурі; г – після нагрівання
    4. Контроль якості прозорих і напівпрозорих об'єктів, які важко відрізнити від фону, однак призводять до зміни електричної довжини ходу променів.

    5. Вивчення мікроструктури поверхні виробів, що визначає їх якість. Низька якість поверхні випробуваного виробу порівняно з еталоном призводить до погіршення чіткості голограми і проявляється як вплив шуму.

    Таким чином, голографічні методи дають можливість проводити контроль із високою роздільною здатністю, проте, зважаючи на підвищення вимог до точності виготовлення та якості поверхні порівнюваних виробів, складності контролю, застосовуються для перевірки дрібносерійної продукції.

  • 1   ...   5   6   7   8   9   10   11   12   ...   24


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

        Головна сторінка