Одномерные методы

Аппаратура оптической дефектоскопии и контрольные образцы

Основными характеристиками аппаратуры оптической дефектоскопии должны быть: -диапазон контролируемых параметров или характеристика дефектов; -разрешающая способность; -поле зрения; -увеличение;

-основная и дополнительная погрешности.

Величины погрешности аппаратуры должны определяться на конкретные типы аппаратуры, а виды нормируемых характеристик средств измерений должны соответствовать ГОСТ 8 009–72.

Аппаратура оптического вида контроля должна обеспечивать качество изображения дефектов (яркость, цвет, контраст, размер, время анализа), необходимое для обеспечения оптимальных условий их наблюдения.

При выборе аппаратуры следует предпочитать (при одинаковых характеристиках) приборы с экранным методом наблюдения, вызывающие меньшее зрительное утомление.

Для защиты от попадания в глаз оператора мешающих наблюдению световых лучей аппаратура должна иметь соответствующие устройства (диафрагмы, бленды и т.п.).

Для настройки и периодической проверки работоспособности и расшифровки показаний аппаратуры должны использоваться контрольные образцы, разрабатываемые и изготавливаемые по технической документации разработчика аппаратуры или по отраслевым и междуведомственным техническим документам.

При приемосдаточных, периодических и типовых испытаниях аппаратуры должны использоваться контрольные образцы разработанные предприятием – разработчиком аппаратуры и изготовленные предприятием – изготовителем аппаратуры.

Для проверки аппаратуры непосредственно перед проведением контроля объектов, а также для контроля методом сравнения с объектом могут быть использованы образцы, специально изготовленные потребителем аппаратуры, с внесением определенного вида дефектов.

Наименьший размер выявляемых дефектов должен не менее чем в три раза превышать величину микронеровностей рельефа поверхности контролируемых объектов

Контрольные образцы должны быть аттестованы соответствующими метрологическими службами.

Подготовка и проведение контроля

Подготовка аппаратуры и объекта контроля должна производиться в соответствии с технической документацией и включать:

подготовку объекта контроля к операциям контроля; проверку работоспособности аппаратуры; выбор условий контроля.

Подготовка контролируемого объекта к операциям контроля должна производиться в следующей последовательности:

до начала проведения контроля с поверхности объекта контроля удаляют частицы или загрязнения, мешающие проведению контроля;

определяют границы контролируемого участка и характер дефектов.

Проверка работоспособности аппаратуры должна производиться в соответствии эксплуатационной документацией.

Выбор условий контроля должен сводиться к обеспечению нормальных условий освещенности контролируемого объекта, установлению требуемого режима работы и взаимного расположения объекта контроля и аппаратуры.

	Способ	Схема испытаний	Области применения
освещения
В	отраженном		Контроль		поверхностных		дефектов
свете			непрозрачных		материалов,		измерение
			линейных размеров
В	проходящем		Контроль внутренних напряжений, наличия
свете			включений в прозрачных материалах,
			измерение линейных размеров
В	рассеянном		Контроль диффузно-отражающих изделий,
свете			обнаружение включений по методу темного
			поля, измерение блеска, цвета и яркости
			поверхности
Комбинированное			Контроль	кристаллов		полупрозрачных
освещение			материалов,		анализ	структуры		и
			микрорельефа поверхности изделий

Обозначения: 1 – источник излучения; 2 – объект контроля; 3 – приемное устройство, 4 – зеркальная составляющая отраженного потока.

Примечания:

1.Схема испытаний зависит от размера и формы объекта и выбирается с учетом оптимальных условий выявляемости конкретного типа дефектов.

2.Параметры источника излучения (интенсивность спектр, поляризация, пространственно временное распределение интенсивности, степень когерентности) следует выбирать так, чтобы обеспечить максимальный контраст изображения.

Операции контроля должны производиться с учетом климатических характеристик и требований размещения аппаратуры, изложенных в паспорте и инструкции по эксплуатации.

Контроль объектов должен осуществляться в соответствии с методикой контроля на конкретные типы аппаратуры и объекта и включать в себя следующие операции:

-установку объекта контроля и аппаратуры в требуемое положение; -введение объекта в режим контроля (освещение, устранение смешения или вибрации и т.п.); -наблюдение и (или) измерение контролируемого параметра;

-контроль качества объекта посредством сравнения его с контрольным образцом; -обработку результатов.

Методика контроля должна разрабатываться предприятием изготовителем объектов контроля и утверждаться в установленном порядке.

Оптический метод позволяет определять геометрические характеристики дефектов – протяженность, глубину.

Основные этапы проведения оптической дефектоскопии

Можно выделить основные этапы приведения оптической дефектоскопии:

1.Определение оптимальных режимов обнаружения различных типов, дефектов (выбор порогового значения параметров обнаруживаемых дефектов, времени изображения объекта, характеристик осветителя – спектра измерения, мощности и пр.).

2.Проведение непосредственно дефектоскопии, включающее:

а) съем информации с поверхности контролируемого объекта; б) обнаружение дефектов посредством сравнения величины текущего информационного сигнала с

выбранным пороговым значением; в) определение характеристик дефектов (площади, координат расположения в контролируемом

изделии и т.п.); г) регистрацию результатов обнаружения дефектов;

д) отметку результатов дефектоскопии на объекте. Накопление и хранение результатов дефектоскопии. Обработка и анализ результатов дефектоскопии.

Технические средства, реализующие методы оптической дефектоскопии, в основном охватывают два направления: дефектоскопы, дающие косвенную информацию о наличии или отсутствии дефекта имеющего величину выше пороговой и дефектоскопы, позволяющие измерять оптическую величину, характеризующую состояние объекта в любой точке его изображения.

В основном это дефектоскопы многоэлементных (матричных) приемников излучения, имеющих средства аппаратной обработки изображений в реальном времени.

Развитие методов обработки информации позволяет переходить от обнаружения дефектов к определению их характеристик: кроме протяженности (площади) дефектов, это глубина их залегания, раскрытие, оптические характеристики.

Для принятия правильного решения о наличии дефекта и последующего анализа и обработки результатов дефектоскопии на предмет обнаружения дефектов и определения их характеристик важное значение имеет предварительный выбор оптимальных параметров контроля, таких, как освещенность контролируемой поверхности, время регистрации, пороговые значения информационного сигнала.

Время регистрации определяют перед проведением дефектоскопии посредством экспериментальных исследований образцов изделий. При простоте и доступности такого метода он обладает небольшой достоверностью, так как невозможно изготовить образцы из каждого контролируемого изделия, кроме того, это значительно уменьшает производительность дефектоскопии.

Согласно ГОСТ 8.326-78 и ГОСТ 8.010-72 практика дефектоскопии базируется на метрологической аттестации методик дефектоскопии, что обусловлено отнесением их к методикам испытаний.

Средства дефектоскопии допускается аттестовывать в составе соответствующих методик. Средства, не прошедшие метрологическую аттестацию, не могут быть допущены для использования в измерениях.

Проведение оптического контроля, где не требуется получение численных значений характеристик дефектов, а только их обнаружение, осуществляется с использованием оптических дефектоскопов. Разработка дефектоскопов, как правило, направлена на решение определенного круга задач, например дефектоскопии металлов, полимерных материалов, сотовых конструкций, электронных схем и т.д.

Поэтому параметры дефектоскопа, в том числе и параметры всех его блоков, включая алгоритмы обработки информации, должны рассчитываться только из условия обеспечения решения определенных задач. Должны быть обоснованы, например, выбор скорости сканирования с точки зрения обеспечения необходимого отношения сигнал/шум при наличии согласованного фильтра., параметры механического модулятора при наличии заданной пороговой чувствительности, оценка влияния качества оптической системы и фотоприемника на отношение сигнал/шум. Выбор параметров дефектоскопов опирается на объект контроля, чему предшествует тщательное его изучение.

Цифровая матрица, полученная в результате накопления соответствующим образом оцифрованных сигналов от первичных преобразователей аппаратуры контроля, не является в достаточной степени адекватной объекту исследований. Причина этой неадекватности - модуляция сигналов вследствие: 1) вибрации сканирующей системы от работающего оборудования; 2) вибрации и люфтов подвижных частей собственно сканирующей системы; 3) эксцентриситета контролируемого изделия на поворотном узле сканирующей системы; 4) влияния шероховатости поверхности контролируемого изделия; 5) погрешность дискретизации; 6) влияние электрических помех на измерительный тракт; 7) изменения климатических параметров и т.п. Следовательно, цифровая матрица измерений является зашумленным изображением, отображающим структуру контролируемого изделия. Вследствие этого задача получения достоверной информации о дефектах неизбежно связана с необходимостью устранения влияния всех мешающих факторов. Поскольку воздействие всех этих факторов на результаты цифровых измерений носит главным образом статистически случайный характер, то было бы совершенно естественным использовать цифровые методы статистической фильтрации исходного массива информации, в частности использовать линейную, а в некоторых случаях и нелинейную пространственно-инвариантную фильтрацию.

Основная решаемая задача дефектоскопии - выделение совокупности элементов цифрового массива, отвечающих за качественный материал, а также тех участков поверхности изделия, о которых величина аномалий «информирует» как о дефектах. При этом отсутствует априорная информация о величинах элементов цифрового массива на участках дефектов и качественного материала. В такой формулировке мы получаем типичную задачу автоматической классификации и идентификации информации, осуществляемых в условиях априорной неопределенности адаптивных методов, т.е. задачу распознавания образов.

Практически все методы дефектоскопии основаны на использовании порогового значения информационного сигнала, разделяющего измеренные значения информационного сигнала на соответствующие качественным участкам и дефектным. Для многих материалов, не удается назначать по роговое значение априорно из теоретических свойств информационного сигнала. В подобных случаях часто используется способ задания порогового значения для конкретного изделия путем анализа и об работки значений сигнала, снятых в некоторых контрольных точках изделия. Другими словами, по некоторой выборке измерений информационного сигнала, представительной для данного изделия, оценивается пороговое значение, которое затем используется при проведении дефектоскопии.

При этом применяются различные методики как получения выборки значений информационного сигнала, так и ее обработки с целью оценки порогового значения.

Пороговое значение в таких случаях определяется как некоторое значение информационного сигнала, являющееся граничным, разделяющим сигналы, соответствующие качественным и дефектным участкам материала.

Рассмотрим наиболее типичный, широко известный на практике метод настройки дефектоскопа по эталону дефекта.

По выборке измерений информационного сигнала в контрольных точках определяется среднее арифметическое, которое служит оценкой математического ожидания распределения выборки и трактуется как средняя характеристика качества материала. Затем в контрольную точку со значением информационного сигнала, наиболее близким к полученному среднему значению, накладывается физическая модель дефекта, являющаяся эталоном дефекта, и измеряется значение информационного сигнала в этой точке. Полученное значение информационного сигнала принимается за пороговое.

Недостатки, присущие этому подходу:

Характеристики эталона дефекта не отражают характеристик дефекта в конкретном изделии. Этот подход не позволяет полностью автоматизировать процесс дефектоскопии.

Подход содержит систематическую ошибку, поскольку определение порогового значения проводится в статическом режиме, а процесс дефектоскопии, сравнение текущих значений информационного сигнала с пороговым значением, осуществляется в динамическом режиме путем сканирования поверхности контролируемого изделия. Иначе говоря, измерения текущего сигнала и измерения в контрольных точках получены в различных условиях.

Таким образом, использование метода обнаружения дефектов путем определения порогового значения сигнала с помощью эталона дефекта приводит к значительному снижению достоверности обнаружения дефектов, что зачастую не применимо на практике.

Практическая возможность статистического распознавания стимулирует постоянный рост числа публикаций по этой проблеме.

ФАЗОВО-КОНТРАСТНЫЙ МЕТОД ДЕФЕКОСКОПИИ

Описанные методы могут быть полезными для изучения таких объектов, которые выделяются на фоне всего поля зрения вследствие своей способности иначе поглощать свет, чем окружающая среда. В микроскопии очень распространено также наблюдение объектов, отличающихся от окружающей среды главным образом по своему показателю преломления (рефракционные структуры).

Рефракционные структуры вносят изменения не в амплитуду, а в фазу проходящей волны. Однако такие структуры не могут быть непосредственно рассмотрены или сфотографированы, ибо наши приемники реагируют не на фазу, а на амплитуду (интенсивность), которая остается неизменной при прохождении света через разные участки рефракционной структуры. Иначе говоря, в микроскопии часто приходится иметь дело с объектами, которые невидимы не потому, что они слишком малы, а единственно потому, что они малоконтрастны. Таковы, например, некоторые бактерии, не имеющие и следов окраски и такие же прозрачные, как и жидкость, в которую они погружены. Эти малые объекты отличаются от окружающей среды только небольшим различием в показателе преломления.

Вследствие этого проходящий через них свет смещается по фазе на величину

* 2 (nоб nср )d *

где nоб и nср — показатели преломления объекта и среды; d* — толщина объекта; — длина волны света.

Ранее для наблюдения таких объектов применяли дифференциальное окрашивание препаратов, после чего малоконтрастные прозрачные объекты превращаются в поглощающие (контрастные) или разноцветные. Но, во-первых, далеко не все детали объектов могут быть окрашены в разные цвета; вовторых, дифференциальное окрашивание малопригодно при изучении живых объектов. Используя наличие разности в показателях преломления объекта и среды, голландский физик Цернике (1935 г.) разработал новый метод — метод фазового контраста, который позволил сделать видимыми такие прозрачные объекты, как описанные выше. Метод фазового контраста основан на том, что фаза световых колебаний прямо прошедшего света, как показывает анализ, отличается от фазы колебаний света, дифрагированного объектом) на /2.

Пусть Р — прозрачный объект, наблюдаемый в обычный микроскоп. Нить лампы 1 проецируется на ирисовую диафрагму 4 конденсора 5 при помощи коллектора 2. Диафрагма 4 находится в фокальной плоскости оптической системы 5 конденсора. Если бы при этих условиях источник света был точечным, то через препарат Р проходил бы параллельный пучок лучей. В действительности источник света имеет некоторую протяженность и каждая его точка создает параллельный пучок лучей, так что через объект проходит бесконечное число параллельных пучков разного наклона.

Около коллектора 2 расположена ирисовая диафрагма 3, расстояние которой от конденсора таково, что он дает на объекте действительное изображение диафрагмы 3. Микроскоп состоит из объектива 6 и окуляра 7.

На рис. заштрихованная область показывает ту часть дифрагированного света, которая попадает в микроскоп.

Рассмотрим в качестве примера прозрачный микрообъект А и предположим, что лампа 1 является монохроматическим источником света. Объект дифрагирует падающий свет в конус, угол при вершине которого тем больше, чем меньше размер объекта. На рис. - заштрихованная область.

Уменьшим отверстие диафрагмы 4 так, чтобы использовалась только небольшая часть изображения источника 1 в точке F. Изображение F' точки F получается в фокальной плоскости я объектива 6. Изображение F' тоже мало, и можно считать, что в плоскости пучок прямого света, посылаемого лампой 1, полностью отделяется от пучка, дифрагированного объекта. В этой плоскости прямой световой пучок освещает лишь очень малую область, тогда как пучок дифрагированного света охватывает большую часть плоскости.

Рассмотрим область, где находится объект А. Пусть nоб и nср —

показатели преломления объекта и среды. Если показатель преломления nоб немного больше nср, то свет, проходящий через объект (луч 1), несколько запаздывает по отношению к свету, проходящему через среду мимо объекта (луч 2). Монохроматические световые колебания могут быть представлены синусоидальными колебаниями типа у = a sin x, где у —смещение при колебании; а — амплитуда, а х — абсцисса колеблющейся точки.

На рис. синусоида 2 представляет собой световое колебание, распространяющееся по пути луча 2(предыдущий рисунок). Световое колебание, проходящее через немного запаздывает по отношению к предыдущему. Оно изображено синусоидой 3, тождественной синусоиде 2, но сдвинутой, по оси х. Эти две синусоиды фактически идентичны, так как объект невидим вследствие недостаточного контраста. Другими словами, интенсивность света одинакова по всему полю. Интенсивность света пропорциональна,

квадрату амплитуды а2, и все колебания, проходящие через объект имеют одинаковую амплитуду, в частности и колебания 3 и 2. Но между этими колебаниями имеется небольшая разность фаз. Синусоиду 3 можно рассматривать как сумму двух синусоид — синусоиды 2 и синусоиды 1, сдвинутой на /2 по отношению к предыдущей и с очень малой амплитудой ОМ.

Из рисунка видно, что при суммировании ординат кривых 2 и 1 вновь получается синусоида 3.

Можно сказать, что синусоида 1 соответствует колебаниям, дифрагированным объектом. Ее амплитуда ОМ тем меньше, чем меньше поб — пср. Если (по6 - пср) 0, то и сдвиг синусоид будет стремиться к нулю и синусоида 1 исчезнет, т.е. дифрагированных колебаний не будет. Что касается синусоиды 2, то она представляет собой колебания, непосредственно участвующие в образовании изображения F'.

В плоскости колебание, соответствующее изображению F', называется прямым, а второе колебание соответствует дифрагированному свету, который распределяется вокруг F' и сдвинут по фазе на /2 по отношению к первому.

Изображение объекта получается в результате сложения всегда сдвинутых по фазе на /2 колебаний 2 и 1, которые приходят в А'. Интенсивность света в изображении А' определяется суммой квадратов составляющих амплитуд 2 и 1.

Интенсивность I1 изображения А' определяется, таким образом, соотношением

I1 a2 OM 2

при небольшом сдвиге фаз колебаний 3 и 2 ОМ — мало, и квадратом можно пренебречь;

I1 a2

Допустим, что нам удалось с помощью соответствующего приспособления сдвинуть кривую 1 еще на/2 относительно кривой 2. Относительное расположение колебаний 2 и 1, которые прошли через объект,

ипришли в изображение, будет соответствовать либо рис. а, либо рис. б.

Впервом случае колебания 2 и 1 находятся в фазе; они просто складываются, и результирующая амплитуда в изображении равна

а + ОМ , а интенсивность

I1 = (а + ОМ)2 а2 + 2 Ом*а ,

так как величиной ОМ2 можно пренебречь.

Вокруг объекта амплитуда остается равной а, и интенсивность

I2 = а2.

Получилось, что интенсивность I1 изображения объекта отличается от интенсивности I2 остального поля, и объект становится видимым.

Во втором случае колебания 1 и 2 находятся в противофазе. Результирующая амплитуда в изображении бактерии равна

а— ОМ , а интенсивность

=(а - ОМ)2 а2 - 2аОМ.

И здесь отличается от I2, и объект снова видим.

В первом случае I1 > I2, и объект кажется более светлым, чем остальное поле (негативный контраст); во втором случае (рис. б) I1 < I2, и объект кажется более темным (позитивный контраст).

Таким образом, дополнительное смещение кривой 1 на /2 по отношению к ее первоначальному положению, т.е. фазовый сдвиг на /2 прямых колебаний относительно дифрагированных, позволяет превратить незначительную разность фаз в объекте в разность интенсивностей света в изображении. В этом и заключается сущность метода фазового контраста.

Задача дополнительного сдвига фазы между прямыми и дифрагированными колебаниями может быть решена установкой в задней фокальной плоскости объектива микроскопа -прозрачной пластинки, настолько маленькой, чтобы через нее проходил только прямой свет от источника, а проходящим через нее дифрагированным светом можно пренебречь.

С помощью такой пластинки, имеющей нужную толщину и показатель преломления, прямое колебание (синусоида 2) можно сдвинуть по фазе вперед или назад, не меняя дифрагированных колебаний (синусоида 1).

Фазовая пластинка должна сдвигать прямые колебания 2 на 1/4 по отношению к дифрагированным 1 (фазовая пластинка представляет собой пластинку в четверть длины волны). Оптический путь прямых колебаний, проходящих через фазовую пластинку толщиной h с показателем преломления п, равен nh, а оптический путь дифрагированных колебаний, проходящих мимо (например, в воздухе), равен h. Тогда должно быть выполнено условие

nh h h(n 1) 4

Если дифрагированные колебания проходят через пластинку такой же толщины h, что и фазовая пластинка, но с показателем преломления

п', то Изменением толщины фазовой пластинки можно добиться

повышения контраста изображения, так как практически мы будем изменять амплитуду только прямого света.

С фазовой пластинкой с 50-кратным ослаблением света достигается максимальный контраст.

Фазовая пластинка должна точно перекрывать изображение диафрагмы 4 в фокальной плоскости объектива.

Задний фокус средних и сильных объективов расположен внутри оптической системы, что заставляет помещать фазовую пластинку между линзами объектива. Поэтому для работы по методу фазового контраста требуется применять специальные объективы, снабженные фазовыми кольцами.

Метод фазового контраста может быть использован и для наблюдения поверхности непрозрачных объектов в отраженном свете.

Отечественная промышленность и зарубежные фирмы выпускают ряд микроскопов, работающих по методу фазового контраста.

Дифракционный метод

Возможности дифракции света могут быть использованы для контроля объектов и их поверхностей с применением эталона объекта. При этом на малом расстоянии от поверхности исследуемого объекта устанавливается поверхность эталона с заранее известной конфигурацией и формой. Зазор между поверхностями образует щель, которая освещается монохроматическим излучением от источника типа лазера. В результате на экране или в плоскости анализа наблюдается дифракционная картина, по виду которой и расположению колец или полос судят о состоянии исследуемой поверхности.

Если поместить контролируемый объект (провод и т.п.) в лазерный пучок перпендикулярно его оси, то на некотором расстоянии от провода можно наблюдать дифракционную картину, представляющую собой совокупность точек, с убывающей интенсивностью от центра . Диаметр провода может быть получен путем измерения расстояния между центрами точек, которое обратно пропорционально величине этого диаметра.

Распределение интенсивности точек J от центра подчиняется закону

sin x 2 J x

, где , – угол между осью лазера и направлением на данную точку; r – радиус провода; – длина волны излучения.

Для правильного контроля необходимо, чтобы диаметр луча лазера был в несколько раз больше диаметра провода.

Рефлексомтерический метод дефектоскопии

Принцип действия рефлексометрических датчиков малых перемещений основан на измерении световой энергии, попадающей из одного волоконного канала в другой за счет отражений от контролируемой поверхности и пропорциональной расстоянию от объекта датчика.

	Волоконно-оптический измеритель зазоров и
смещений:
	а – оптическая схема: 1 – источник света, 2
–	объект,	3	–	фотоприемник

(а – расстояние между объектом и торцом световода);

б – схемы укладки волокон: 1 – регулярная, 2 – кольцевая, 3 – ступенчатая;

в – зависимость сигнала датчика от расстояния до объекта (1, 2 и 3 соответствуют

обозначениям укладки на рис.б),	–
интенсивность сигнала.

Рефрактометрический метод дефектоскопии

Рефрактометрический метод контроля основан на регистрации светового потока, преломленного объектом. Показатель преломления, как и плотность, являются важными физическими константами при проведении дефектоскопии прозрачных объектов.

При переходе луча света из одной среды в другую он частично отражается от поверхности раздела, а частично переходит во вторую среду, изменяя при этом свое первоначальное положение, т.е. преломляясь. Отношение синусов угла падения 1, и угла преломления 2 есть величина постоянная:

sin 1 / sin 2 n21

Показатель преломления вещества определяется его природой, но зависит также от внешних условий, главным образом, от температуры и от длины волны света

Денситометрический метод контроля

При денситометрический методе контроля с помощью фотодетектора непосредственно измеряется оптическая плотность образца. Соответствующие приборы - денситометры обычно имеют спектральную характеристику, близкую к спектру чувствительности зрения, реализуемую с помощью светофильтров.

Объект освещается либо коллимированным пучком лучей, либо диффузным, реализуемым с помощью дополнительного рассеивателя.

Контроль может выполняться в широком спектральном диапазоне или в монохроматическом излучении, естественном или поляризованном свете, при различной интенсивности и геометрии падения лучей.

Индикатрисы рассеяния света регистрируют с помощью гиниофотометров. Метрологическое обеспечение измерения коэффициентов пропускания или оптической плотности основано на использовании высокостабильных нейтральных или цветных светофильтров, эталонах оптической плотности (с диапазоном ослабления до 5 + 6 порядков, т.е. с плотностью до 5 + 6 Белл).

Спектральный метод контроля

Спектральный метод контроля основывается на свойстве объекта поглощать или отражать свет на определенной длине волны.

Например, метод нашел широкое применение для определения концентрации газов или газовых смесей. Газы, благодаря своей молекулярной структуре могут иметь резонансные спектральные полосы поглощения. Это наблюдается когда энергия светового потока определенной длины волны интенсивно поглощается молекулами газа.

Данным метод может быть применен для обнаружения утечек газа, в том числе дистанционно на больших расстояниях – например с самолетов на земной поверхности.

Помимо контроля прозрачных объектов ы прошедшем свете возможен контроль твердых объектов в отраженном свете и жидких как в отраженном так и в прошедшем.

Нефелометрические методы контроля

Нефелометрами называют приборы для измерения концентрации взвешенных частиц в жидкостях и газах.

Принцип их действия заключается в регистрации степени ослабления проходящего через объект света в процессе рассеивания на его оптических неоднородностях. Падающий на мутную среду свет частично рассеивается.

Интенсивность рассеяния для малых частиц ( 1/10 ) в соответствии с законом Рэлея обратно пропорциональна четвертой степени длины волны света. В связи с этим в нефелометрии целесообразно использование коротковолновой области (УФ и синие лучи). Рассеяние света сопровождается его поляризацией. Пространственное распределение рассеянного света имеет симметричный характер относительно направления первичного пучка и перпендикулярного ему направления. В плоскостях, нормальных оси исходного пучка, интенсивность рассеянного света одинакова. Для произвольного направления под углом к оси первичного пучка интенсивность света равна

Фр Ф1 (1 cos2 )

где Ф1 - интенсивность в направлении, нормальном к исходному.

Существуют две разновидности метода - турбидиметрия, основанная на измерении интенсивности света, прошедшего среду ( = 0), и собственно нефелометрия, в основе которой лежит регистрация интенсивности рассеянного излучения ( = 90°). Основное уравнение турбидиметрии записывается в виде

Ф Ф0 exp( k c l)

где Ф0 - интенсивность падающего на среду света; k – полярный коэффициент мутности (для сферических непрозрачных частиц радиуса Rk = R2), с - концентрация взвешенных частиц; l - толщина слоя контролируемой среды.

Колориметрический метод контроля

Колориметрические методы основаны на регистрации цветовых параметров объекта, связанных с некоторыми его свойствами.

Колориметрический метод контроля может быть осуществлен путем сравнения цвета окраски объектов. На примере жидких веществ концентрацию одного вещества в другом определяют по интенсивности окраски их смеси на основе закона ЛамбертаБера:

Ф Ф0 e Cl

где Ф - поток монохроматического излучения с длиной волны , выходящего из поглощающего вещества; Ф0 - поток монохроматического излучения с длиной волны , входящего в анализируемое вещество; - коэффициент поглощения, зависящий от длины волны излучения, природы растворенного вещества и температуры; С - концентрация растворенного вещества; l - толщина поглощающего слоя.

Это уравнение можно представить в виде интенсивностей световых потоков I0 , I соответственно до и после поглощения в слое растворенного вещества:

I I0 e Cl

Стробоскопический метод

Стробоскопический метод основан на освещении объекта контроля световыми импульсами, синхронизированными с различными фазами движения объекта, что позволяет визуализировать его изображение в этих фазах за счет стробоскопического эффекта.

Метод широко применяется для регистрации быстродвижущихся объектов или поверхности таких объектов.

Фотометрические методы контроля

Фотометрический метод основан на регистрации энергетических параметров оптического излучения до и после взаимодействия с объектом контроля.

Фотометрическая аппаратура весьма разнообразна. Для спектральных измерений применяют спектрофотометры различных конструкций, монохроматоры, другие спектральные приборы, а также наборы стеклянных, интерференционных или других фильтров, выделяющих нужную область спектра.

Поляриметрические измерения проводят с помощью фотометров, оснащенных пленочными или кристаллическими поляризаторами и анализаторами, компенсаторами и т.п. приспособлениями.

Измерения пространственного распределения оптических характеристик объектов (индикатрис) производят с помощью гониофотометров, снабженных многоэлементными матричными фотоприемниками или приспособлениями для проведения испытаний при различных углах падения света на образец и приема излучения; угловое разрешение лучших гониофотометров составляет 10 угл. сек. Современные фотометры делятся на два типа: 1) прямого отсчета; 2) метода сравнения.

Впервых используется световая характеристика приемника, то есть зависимость сигнал-свет. Эти приборы обычно имеют один приемник; шкала в них градуирована непосредственно в световых единицах.

Вфотометрах, работающих по методу сравнения, приемник используется в качестве индикатора, сравнивающего исследуемый поток с заданным (эталонным).

Волоконно-оптические датчики

обладают высокой чувствительностью, помехоустойчивостью, способностью работать в условиях взрыво- и пожароопасности, хорошей устойчивостью к воздействию агрессивных сред, у них отсутствует гальваническая связь с объектом контроля.

Непрерывные ВОД представляют собой волоконно-оптическую линию связи (ВОЛС), у которой один из участков световода выполнен в виде чувствительного элемента. Обычно это участок световода с удаленной внешней оболочкой или изогнутый с малым радиусом кривизны порядка 5–10 радиусов самого световода. В таких ВОД используются полупроводниковые лазеры или светодиоды в качестве источника света и фотодиоды для измерения интенсивности света после прохождения ВОЛС с чувствительным участком, помещенным в контролируемой области. Физические эффекты, вызывающие модуляцию света, проходящего через чувствительный элемент ВОД, достаточно разнообразны. Чаще всего используют эффект «вытеснения» излучения из ВОЛС при изменении показателя преломления окружающей его среды или изменении радиуса кривизны изогнутого участка, например при тепловой деформации, механическом нагружении и т.д. «Иммерсионный» ВОД (рис. а) обычно применяют, поместив

чувствительный элемент в среду, показатель преломления которой сильно зависит от контролируемого параметра, например температуры. При этом существенно меняются условия полного внутреннего отражения лучей света, приходящих через световод, часть излучения теряется, что и вызывает соответствующие изменения информационного сигнала датчика.

На рис. б показан чувствительный элемент ВОЛС в виде изогнутого участка световода.

Внешнее воздействие, например повышение температуры, изменяет радиус кривизны элемента, что приводит к изменению условий полного внутреннего отражения части проходящих по световоду лучей и информационного сигнала.

Интерферометрические ВОД выполняют по схеме, показанной на рис. в. Свет источника излучения 1 в узле оптической связи световодов 3' и 3" синфазно переходит из световода 3' (опорного) в световод 3" (измерительный). Здесь использован эффект «перетекания» света из одного световода в другой, рядом с ним расположенный. Измерительный световод 3" или его участок помещается в контролируемую среду в непосредственной близости от объекта контроля.

Изменение параметров объекта вызывают соответствующие изменения параметров чувствительного элемента ВОД и, следовательно, его микродеформацию или изменение показателя преломления.

При этом изменяются длины оптического пути света в световоде 3', что приводит к соответствующей разности фаз между пучками света, распространяющимися но опорному и измерительному световодам. Эти когерентные пучки, интерферируя в выходном узле связи 7, вызывают соответствующие колебания интенсивности света, регистрируемые фотодиодом 6. Подобные ВОД могут выполняться и по схемам, аналогичным схемам традиционных оптических интерферометров (Майкельсона, Фарби-Перо и т.д.).

Эти ВОД с фазовой модуляцией сигнала характеризуются чрезвычайно высокой чувствительностью, но имеют ограниченный динамический диапазон и некоторые сложности обработки сигнала, имеющего периодический характер изменения интенсивности (в частности, устранение неоднозначности отсчетов и т.п.).

Определение внутренних напряжений в материалах

Многие оптически прозрачные материалы (стекло, полимеры, кристаллы), изотропные в обычных условиях, становятся анизотропными после механического нагружения. При прохождении света в них возникает двойное лучепреломление, величина которого характеризует степень напряженного состояния контролируемого объекта.

Согласно закону Вертгейма разность хода обыкновенного и необыкновенного лучей определяют по формуле

c l ( 1 2 )

где 1 и 2 – разность главных напряжений, l – толщина изделия; с – оптическая постоянная

материала изделия, определяемая экспериментально.

Внутреннее напряжение определяют с помощью полярископа, типовая схема которого показана на рис.

Анализатор приводит колебания обыкновенного и необыкновенного лучей в одну плоскость и создает условия для их интерференции. При этом на экране видна система темных и светлых полос,