Радиофизические методы диагностики материалов и сред (стр. 12 )

Микроскоп является оптическим многолинзовым устройством для наблюдения элементов, не видимых невооруженным глазом, имеющим регулировки оптических свойств. Он дает возможность получить качественное увеличенное изображение, причем увеличение может достигать 2000 раз, а линейное разрешение – 0,5 мкм. Микроскопы позволяют производить визуально-оптический контроль при различных режимах освещения и увеличения, а также по разным методикам. Линзовые системы являются апланатическими, т. е. для них выполняется условие синусов

,

где и – показатели преломления среды в пространстве предметов и в пространстве изображений; и – апертурные углы в пространстве предметов и изображений.

С помощью микроскопов и устройств, построенных по тому же принципу, решаются следующие задачи неразрушающего контроля качества: измерение геометрических размеров и формы малогабаритных изделий, обнаружение дефектов малых размеров (до долей микрометра) с высоким разрешением по их пространственному положению, контроль физико-химических свойств и состояния материалов (внутренних положений) по их оптическим характеристикам, контроль внутреннего строения малогабаритных изделий или их частей, расположенных в прозрачном или полупрозрачном материале.

Эндоскопом называют устройство, снабженное осветителем и оптической системой для осмотра внутренней поверхности объектов с полостями. Эндоскопы позволяют в основном решать задачи дефектоскопии и контроля строения изделий путем переноса видимого изображения из недоступной зоны к оператору. Сравнивая эндоскопы с другими устройствами, пригодными для решения аналогичных задач, и в первую очередь с малогабаритными телевизионными камерами, помещаемыми в полости, следует отметить, что гибкие эндоскопы имеют гораздо меньшие размеры поперечного сечения. Это дает возможность вводить их через очень малые отверстия объекта в полости и каналы сложного профиля, если радиус изгиба при повороте эндоскопа в полости более пяти диаметров жгута.

3.5.2 Фотометрические методы контроля

Методы, основанные на измерении величин, характеризующих световое излучение, путем преобразования их в электрический сигнал и обработки его вторичными блоками. Они нашли широкое распространение, поскольку хорошо вписываются в технологический процесс. К таким методам можно условно отнести фотометрический, денситометрический, колориметрический и некоторые разновидности поляризационного и спектрального методов. Фотометрический метод предполагает измерение вторичной освещенности, яркости, светового потока или интенсивности светового излучения, полученного после взаимодействия с контролируемым объектом. Использование той или иной физической величины зависит от конкретной реализации метода, выбранной оптической системы и первичного измерительного преобразователя. Денситометрический метод состоит в том, что измеряется оптическая плотность или коэффициент пропускания. Поляризационный метод отличается использованием поляризованного света и анализом поляризации прошедшей компоненты. Колориметрический метод заключается в анализе цветовых составляющих света или их отношения. При реализации этих методов основной процесс измерения или преобразования может быть сведен во многих случаях к фотометрическому, поэтому рассмотрим его как основной вариант построения аппаратуры и отметим особенности в реализации других методов.

Фотометрический и подобные ему методы могут быть применены для решения следующих задач неразрушающего контроля: измерение геометрических размеров и площадей, контроль коэффициента затухания, пропускания или отражения, дефектоскопия. Приборы, реализующие фотометрический метод, обычно работают в прошедшем излучении и имеют две оптические системы. Поскольку первичные измерительные преобразователи световых величин в электрические сигналы чаще всего имеют нелинейные световые характеристики, а их стабильность недостаточна, применяют специальные способы построения приборов, чтобы эти недостатки оказывали минимальное влияние. В приборах для контроля геометрических размеров часто применяют следящие системы, а также фотокомпенсационный, фотоимпульсный, растровый способы и др.

Фотокомпенсационный способ предполагает сравнение двух световых потоков, один из которых частично перекрывается контролируемым объектом, а другой – специальной пластиной, положение которой при равенстве световых потоков определяет геометрический размер объекта. Фотоследящий способ состоит в перемещении с помощью следящей системы фотоэлектрического преобразователя, отмечающего положение границы «свет – тень», создаваемой при освещении контролируемого объекта, и регистрации его параметров по положению преобразователя.

Фотоимпульсные приборы имеют наибольшее распространение и по существу используют преобразование линейного размера в электрический импульс, длительность которого связана с измеряемым размером и скоростью движения модулирующего элемента. Применение растровых устройств позволяет дискретизировать световой поток, идущий от контролируемого объекта, и получить последовательность импульсов, число которых связано с размерами контролируемого объекта.

В устройствах на принципе фотоимпульсного преобразователя могут быть применены линейные матрицы на базе приборов с зарядной связью, на выходе которых сразу получают последовательность импульсов, связанных с поперечным размером, что существенно упрощает построение приборов для контроля геометрических размеров фотометрическим способом и обеспечивает лучшие метрологические показатели.

3.5.3 Контроль телевизионными методами

Основой применения телевизионных методов являются электронно-вакуумные передающие телевизионные трубки [23–26], которые позволяют преобразовать видимое изображение в упорядоченную последовательность – видеосигнал. Наибольшее распространение в телевизионных системах для целей неразрушающего контроля имеют видикон и диссектор. Сигналы, полученные от передающего телевизионного блока, дальше могут использоваться по-разному: для формирования видимого изображения, которое анализируется оператором, для логической обработки сигналов и выделения информации о контролируемом объекте или для ввода в компьютер.

Отметим основные преимущества телевизионного метода по сравнению с визуальным и визуально-оптическим:

1) возможность одновременной оценки изображения на нескольких экранах группой операторов, что особенно существенно при работе с микроскопом, эндоскопом и другими подобными устройствами;

2) работа с крупным изображением, получаемым за счет электронного увеличения так, что общее увеличение составит

;

3) передача и анализ изображения практически на любые расстояния от контролируемого объекта;

4) возможность записи, обработки изображения и его улучшения путем устранения помех с использованием методов, широко применяемых в телеметрических системах;

5) простота проведения контроля для объектов различной формы;

6) широкие возможности автоматизации контроля и использования его результатов, обработанных на компьютере, для их фиксации, анализа, а также управления ходом технологического процесса.

Большую часть этих преимуществ позволяет реализовать аппаратура или устройства, которые могут быть построены на базе серийных блоков и систем. Такие устройства называют системами промышленного телевидения и телевизионной автоматики. Кроме того, некоторые специальные устройства, создающие на выходе видимое изображение, по существу, построены на основе принципов, характерных для телевизионной техники.

3.5.4 Интерференционные методы контроля

Отличительной чертой интерференционных методов оптического контроля является взаимодействие двух потоков света. К интерференционным методам относятся: интерферометрический, дифракционный, фазово-контрастный, рефрактометрический и голографический. Они основаны на изменении энергии и фазы вторичных потоков после взаимодействия с контролируемым объектом, его элементами или частями. Поскольку величиной, определяющей набег фазы, является длина волны, интерференционные методы обеспечивают измерения и контроль параметров объектов до долей длины волны. Обычно погрешность или разрешающая способность такого рода аппаратуры составляет . В связи с высокой разрешающей способностью и чувствительностью этих методов большое внимание должно быть уделено неизменности условий контроля, в том числе и параметров окружающей среды. Интерференционные методы успешно применяются для высокоточного измерения геометрических размеров, физико-химических свойств (в первую очередь оптических), реже – для дефектоскопии и контроля внутреннего строения изделий.

3.5.5 Голографические методы

Уникальные свойства лазерного излучения сделали реальным применение голографических методов в неразрушающем контроле. Как известно, голограмма – это полученная определенным образом фотопластинка с запечатленными на ней интерференционными линиями, при освещении которой когерентными колебаниями формируется поток света, создающий видимое объемное изображение сфотографированного объекта. Непосредственное использование свойств фиксированного трехмерного изображения изделия в неразрушающем контроле имеет такое же значение, как обычная фотография, – получение и хранение документа, но содержащего гораздо большую информацию, поскольку изображение имеет объемность и распределение света зарегистрировано с точностью до долей его длины волны.

Голограммы могут быть получены физическим путем с помощью оптических установок или расчетным путем с помощью компьютера и специальных графических устройств (бинарные голограммы). Так как голограмма получается за счет интерференции световых волн, прошедших различный путь до регистрирующей фотопленки, необходимы высокая когерентность, монохроматичность и стабильность источника света, что особенно существенно при больших разностях хода лучей. Наилучшие из современных лазеров могут обеспечить выполнение требуемых условий при расстояниях до 30 м. Две интерференционные линии на голограмме находятся на расстоянии , где – угол между направлениями сигнального и опорного лучей. Поскольку наименьшее расстояние между линиями на голограмме примерно равно длине света, т. е. в видимом диапазоне 0,35–0,75 мкм, то пленка для голографии должна иметь высокую разрешающую способность – 2000–5000 линий/мм. Работа с такой пленкой требует большой освещенности и значительного времени экспозиции. Во время экспозиции необходимо выдерживать постоянные показатели окружающей среды, так как их изменения не должны приводить к появлению приращений электрической длины у одного из лучей более чем на четверть длины волны, иначе структура интерференционных полос будет нарушаться (смазываться, расплываться). Указанные особенности усложняют широкое внедрение голографических методов в неразрушающем контроле качества.