Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Излучение

.pdf
Скачиваний:
15
Добавлен:
31.03.2015
Размер:
1.78 Mб
Скачать

1. Общие вопросы ОНК, электромагнитный спектр ОНК, информационные параметры ОНК.

Оптический неразрушающий контроль основан на взаимодействии оптического излучения с контролируемым объектом и регистрацией результатов этого взаимодействия.

Длина волн электромагнитного излучение оптического диапазона в вакууме от 10-5 до 103 мкм (3*1018 – 3*1010 Гц). При этом выделяют диапазоны ультрафиолетового (10-3 – 0.38 мкм), видимого (0.38 - 0.78 мкм.) и инфракрасного излучения (0.78 – 103).

Спектр электромагнитного излучения

Скорость распространения ОИ в вакууме с0 = 3*108 м/с.

В реальных средах ОИ распространяется со скоростью v= с0/n = 0 f /n= f,

где n - показатель преломления среды;

0 и - длина волны света в вакууме и среде соответственно.

Длины волн спектральных цветов

 

 

 

Диапазон (нм)

 

Цвет

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

380 - 450

 

Фиолетовый

 

 

 

 

 

 

 

 

 

450 - 490

 

Синий

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

490-560

 

Зелёный

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

560 - 590

 

Желтый

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

590 - 640

 

Оранжевый

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

640 - 730

 

Красный

 

 

 

 

 

 

Информационными параметрами ОНК являются:

пространственно-временные распределения амплитуды, частоты и фазы излучения поляризации и степени когерентности.

изображения, полученные при интерференции, дифракции, поляризации, преломлении, отражении, поглощения, рассеяния, дисперсии света.

изменения характеристик самого ОК под действием света.

Задачи, решаемые методами оптического контроля:

Контроль формы изделий. Контроль состава вещества. Обнаружение дефектов

Эффективность применения ОНК существенно зависит от правильности выбора геометрических, спектральных, светотехнических и временных характеристик условий освещения и наблюдения ОК. Главное при этом - обеспечить максимальный контраст дефекта подбором углов освещения и наблюдения, спектра и интенсивности источника (непрерывного или стробоскопического), а также состояния поляризации и степени когерентности света. Необходимо учитывать различия оптических свойств дефекта и окружающей его области фона. Контраст определяют по формуле

k = (B0 - Bф)/(B0 + Bф),

где B0 и Bф - яркости объекта в областях дефекта и фона.

При работе с аппаратурой ОНК должны соблюдаться общие правила по технике безопасности и охране труда. Оптический контроль происходит при повышенной нагрузке на глаза оператора, что надо учитывать при его организации. Особую опасность могут представлять собой источники, несущие концентрированные потоки световой энергии, в первую очередь – лазеры.

Наиболее опасно изучение для глаз, они поражаются излучением лазера настолько быстро, что трудно принять защитные меры в процессе облучения. При конструировании и работе с подобными установками необходимо предусмотреть подобные меры заранее.

2. Фотометрические энергетические и световые единицы измерения оптических величин.

Основной характеристикой ОИ является поток излучения (мощность светового потока)

Ф = dQ/dt, [Вт]

где Q - энергия, Дж; t - время, с;

Поверхностной плотностью излучения Rэ, или энергетической светимостью, называется

отношение испускаемого поверхностью по одну сторону от себя, т.е. в полусферу, полного лучистого потока к площади этой поверхности

R

 

2

 

Единицей энергетической светимости является Вт/м

ý

dS1

 

 

 

 

Облученностью, или энергетической освещенностью Е, называется отношение лучистого потока dФ падающего нормально на какую-либо поверхность, к площади этой поверхности dS2, т.е.

EdÔ âò

ý2 dS2 ì

Силой излучения, или энергетической силой света, называется отношение лучистого потока dФ к телесному углу d , в пределах которого он распространяется, т.е.

Iý

 

 

âò

 

 

 

 

 

 

 

d

ñò åð

Это соотношение действительно для точечного источника излучения, т.е. тела, имеющего малые размеры по сравнению с расстояниями, на которых рассматривается его действие. Энергетической яркостью излучающей поверхности в данном направлении называется отношение измеренной в этом направлении энергетической силы света к видимой площади излучающей поверхности, т.е.

 dIý 1

ý 1 dS11

где dIý 1 - сила излучения в данном направлении 1;

dS1 1 - видимая площадь элемента поверхности dS1 в направлении, образующем угол 1 с нормалью к элементу dS1.

Так как = dS1cos 1, то

Âý

 

dIý

1

dS1 cos 1

1

 

 

 

Для источников излучения, имеющих лучистость, одинаковую во всех направлениях, справедлив закон Ламберта, согласно которому сила света излучающей поверхности пропорциональна косинусу угла излучения. Для поверхностей, подчиняющихся этому закону

dIý 1 dIý0 cos 1 BýdS1 cos 1

следствие из закона Ламберта, по которому устанавливается связь между энергетическими яркостью и светимостью косинусного излучателя,

Rý Âý

Это же соотношение действительно и для диффузно отражающих или диффузно пропускающих тел. Если коэффициент диффузного отражения тела известен, то энергетическая яркость такого тела при облученности на нем Еэ равна

Âý Åý

Спектральные фотометрические характеристики

Качественными характеристиками вышеуказанных величин являются их спектральные характеристики, такие, например, как спектральная интенсивность плотности излучения r ,

являющаяся величиной плотности излучения, приходящейся на интервал - ( + ), или спектральная плотность яркости b . Связь между интегральными и спектральными

характеристиками выражается как

Rý r d

0

Bý b d

0

Фотометрические характеристики, переменные во времени

Существуют и другие энергетические величины, которые используются при расчетах систем ОНК. Энергия излучения W описывается выражением вида

t

W Ô (t)dt

0

где Ф(t) - функция изменения потока во времени.

Единицей энергии излучения является джоуль (дж) или ватт-секунда (вт сек).

Световые характеристики

Если оценивают мощность лучистой энергии по производимому ею световому ощущению, то переходят к световому потоку и соответствующим световым величинам.

Определения световых величин аналогичны определениям соответствующих энергетических величин, следует лишь заменить слово «лучистый» на «световой».

В видимой области спектра применяют систему световых единиц, соответствующую зрительному ощущению лучистых потоков с учетом спектральной чувствительности глаза. Единицей светового потока является люмен (1лм = 1/683 Вт для = 0,55 мкм), сила света измеряется в канделах (кд),

освещенность Е - в люксах (лк), яркость - кд/м2 (1 кд = лм/стер, 1 лк = 1 лм/м2).

Человеческий глаз неодинаково чувствителен к излучению различных длин волн. Если измерить лучистый поток в диапазоне длин волн -( + ) для какого-нибудь излучателя и световой поток, т.е. поток, воспринимаемый глазом в том же диапазоне спектра, то отношение величины светового потока dF . к величине лучистого потока dФ называется коэффициентом видности

ÊdF

Отношение коэффициента видности для какой-либо длины волны излучения к максимальному значению К называется коэффициентом относительной видности

V k k

ì àêñ

Кривая видности человеческого глаза

Максимальная чувствительность глаза при дневном свете достигается на длине волны 555 нм, а при сумеречном свете - на длине волны 510 нм. Максимальная чувствительность глаза в обоих случаях принимается за единицу.

3. Основы геометрической оптики. Виды отражений световых волн от поверхности.

Отражением света (ОС) называется эффект возвращения световой волны при ее падении на границу раздела двух сред обратно в первую среду.

Различают зеркальное, диффузное и смешанное ОС. Зеркальное ОС имеет место, если неровности поверхности малы но сравнению с длиной волны света. При этом свет отражается по законам геометрической оптики, т.е. угол падения равен углу отражения, а падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости с нормалью к поверхности в точке падения света. Соотношение между отраженным и упавшим потоками определяется величиной коэффициента отражения.

Диффузное отражение

Другой крайний случай, когда отраженный свет полностью рассеивается. Это - диффузное, или рассеянное, отражение. Такое полное рассеяние отраженного света происходит в случае, если рассеивающие микронеровности расположены совершенно беспорядочно. Поверхность, рассеивающая свет диффузно, называется идеально матовой. Индикатриса яркости при диффузном рассеянии представляет собой часть окружности с центром в точке поверхности. В соответствии с определением яркости можно записать, что

Следовательно, сила света в рассматриваемом случае подчиняется уравнению

Оно выражает закон Ламберта: сила света, отражаемого идеально матовой поверхностью, пропорциональна косинусу угла падения на нее светового пучка.

Индикатрисы силы света (пунктир) и яркости поверхности, подчиняющейся закону Ламберта

Смешанное ОС наблюдается при отражении от поверхностей с неровностями, большими длины волны света. Для него характерно преимущественное отражение в направлении зеркального ОС в сочетании с менее интенсивной диффузионной компонентой. Регулярные неоднородности поверхности приводят к появлению пространственного распределения отраженного света, характерного для явления дифракции.

Распределение отраженного света в пространстве, особенно при смешанном ОС, описывается с помощью индикатрисы коэффициента отражения.

Иногда для характеристики рассеивателей используют понятие коэффициента яркости (β), т.е. отношение яркости (B) конкретного объекта в заданном направлении к яркости (B0) идеального

рассеивателя.

Индикатрисы яркости поверхности, обладающей рассеянным (пунктир) и направленно-рассеянным отражением

4. Поглощение света. Рассеяние света. Закон преломления.

Поглощение света (ПС) - Уменьшение энергии световой волны в веществе вследствие преобразования ее во внутреннюю энергию вещества или в энергию вторичного излучения (люминесценция), имеющего иной спектральный состав и иные направления распространения.

Для твердых веществ характерно собственное поглощение, обусловленное взаимодействием света с кристаллической решеткой, и характеристическое (селективное) поглощение, возникающее вследствие колебаний и вращений молекул и приводящее к появлению полос резонансного поглощения.

Газы обладают в основном избирательным поглощением.

Ослабление монохроматическою света в гомогенной изотропной среде за счет поглощения описывается законом Бугера

Fαλ= Fexp(-αλX)

где Х- длина пути света в среде; F- падающий поток; Fαλ - поток, поглощенный средой; αλ -

спектральный показатель поглощения среды, мм-1; αλ=4πк / Х, где к - главный показатель поглощения среды.

Ослабление полихроматического из лучения определяют интегрированием соответствующих потоков по длинам волн.

Рассеяние света (PC) -преобразование света веществом, сопровождающееся изменением направления его распространения и поляризации.

PC обусловлено его дифракцией на оптических неоднородностях среды, зависит от их размеров и концентрации.

Для слабо мутных сред (вода, чистый воздух, стекло) характерно малоугловое рассеяние, т.е. яркость пучка в направлении падающего на среду света значительно больше его яркости в иных направлениях.

Для сильно рассеивающих сред (молочное стекло и т.п.) характерно изотропное рассеяние.

В первом приближении ослабление ОИ за счет рассеяния может быть описано зависимостью, аналогичной закону Бугера

F= Fexp(-rλX)

где rλ - коэффициент ослабления излучения за счет рассеяния.

Суммарное ослабление света веществом за счет рассеяния и поглощения определяется

коэффициентом

экстинкции:

γλ=rλλ

вводимым в формулу закона Бугера.

Пропускание света

как и отражение бывает направленным, диффузным и смешанным. При направленном пропускании, характерном для оптических стекол, структура пучка падающего света не изменяется.

Коэффициент пропускания учитывает при этом как потери на границе среды, так и поглощение в ней, и в общем случае, так же потери за счет рассеяния, обозначается τλ

При распространении потока в средах с коэффициентами пропускания 1, 2… n суммарный

коэффициент пропускания этих сред равна произведению коэффициентов отдельных сред:

n = 1 2 3… n

Преломление света

При падении пучка лучей света на границу раздела гладких прозрачных сред часть его отражается под углом i равным углу падения, другая же часть проходит во вторую среду под углом i' , определяемым законом преломления.

Отношение синусов углов i и i’ равно показателю преломления второй среды относительно первой:

Показатель преломления среды относительно вакуума называется абсолютным показателем преломления и обозначается буквой п с указанием индекса среды. В вакууме п равно единице для всех длин волн. Абсолютный показатель преломления п определяется отношением скорости распространения излучения в вакууме с0 к скорости распространения в среде с

Поскольку частота излучения при переходе из одной среды в другую не изменяется, при изменении скорости распространения излучения меняется длина волны , т.е.

где и 0 - длины волн излучения при его распространении в среде с показателем преломления n и в вакууме соответственно.

Дисперсия - это зависимость показателя преломления от длины волны света. Обычно при увеличении частоты показатель преломления увеличивается (нормальная дисперсия), однако в окрестности и полос поглощения среды наблюдается аномальная дисперсия. Дисперсию оценивают разностью показателей преломления каких-либо длин волн пλ1 - пλ1.

5. Принципы построения аппаратуры ОНК с точки зрения анализа информационных параметров. Структура автоматической системы ОНК.

С точки зрения анализа информации оптические методы контроля можно разделить на три группы:

1.Визуальный контроль осуществляется оператором, причем информация воспринимается невооруженным глазом. Это простейший и общедоступный вид неразрушающего контроля, обеспечивающий высокую производительность.

2.Визуально-оптическим называют неразрушающий контроль с применением оптических средств, позволяющих существенно расширить пределы естественных возможностей органов человека. Усилить возможности человека позволяют лупы, микроскопы, телескопические устройства и другие технические средства.

3.Автоматический оптический контроль позволяет проводить контроль не используя глаз оператора. При этом используются такие же осветители, системы линз и т.д. но в качестве приемников излучения, применяются – полупроводниковые, результатом контроля является заключение о годности объекта по какому-либо параметру.

Структура автоматической системы ОНК

Средства оптического контроля содержат осветитель, приемник излучения, устройство сканирования объекта и блок обработки сигналов и управления.

Осветитель состоит из источника света с блоком питания и необходимых для реализации конкретного режима освещения оптических элементов.

При работе в отраженном излучении (или при комбинированном освещении) осветитель располагается по одну сторону с приемником излучения относительно объекта контроля.

В обоих случаях контроль может производиться, в зависимости от конкретной задачи и специфики объекта, в различных спектральных диапазонах (УФ, ИК, ВИ), в поляризованном или естественном свете, при стационарном, модулированном или импульсном режиме излучения источника. Различают также освещение источниками направленного (лазер, коллиматор) и диффузного излучения.

Анализатор изображения (телевизионная камера, фотодиодный датчик и т.п.) состоит из оптической системы и фотодетектора. Оптическая система включает обычно объектив для фокусировки изображения объекта на фотоприемник или преобразователь изображения, а также вспомогательные элементы (фильтры, дефлекторы или сканаторы модуляторы, световоды и т.п.).