Радиофизические методы диагностики материалов и сред (стр. 9 )

Рис. . Контроль геометрических размеров и физико-химических свойств: а – объемным резонатором; б – волноводом; в – открытым резонатором

Протяженный контролируемый объект КО (например, труба или пруток) можно помещать в полость объемного резонатора Р или волноводный тракт В. Если объект помещен в полость резонатора Р (рис. 2.11 а), то он изменяет его рабочий объем (резонансную частоту) или создает дополнительные потери энергии (уменьшает добротность). Для металлических изделий основным является изменение частоты, что дает возможность производить контроль внешнего диаметра трубы , прутка и т. п. В случае, когда труба изготовлена из диэлектрического материала, влияющими факторами являются все геометрические размеры трубы (внешний и внутренний диаметры, толщина) и электромагнитные параметры (диэлектрическая и магнитная проницаемости, удельная электрическая проводимость ). По схеме рис. 2.11 а можно организовать радиоволновой контроль изделий в технологическом потоке.

При контроле изделий в виде коротких труб можно их включить непосредственно в СВЧ-тракт (рис. 2.11 б). В таком варианте труба может рассматриваться как отрезок волновода или длинной линии с определенными параметрами, приводящими к изменению характеристик отраженной волны. Для лучшего согласования волноводного тракта с отрезком трубы участки волноводов ПВ и ОВ выполнены специальной формы, плавно сопрягаемой с поперечным сечением трубы КО, а на их краях для снижения затекания токов на внешнюю поверхность волноводов ПВ и ОВ выполнены короткозамкнутые четвертьволновые участки КП1 и КП2. Определенный режим работы измерительного участка волновода обеспечивает отрезок волновода ОВ, который нагружен на короткозамкнутую секцию с настроечным поршнем НП (рис. 2.11 б) или на согласованную нагрузку для получения режима бегущей волны. На рис. 2.11 в показан объект в виде диэлектрического покрытия на металлическом основании. Одной из стенок резонатора Р в этом случае служит металлическое основание, в котором использован СВЧ-генератор с частотной модуляцией (качающаяся частота). В качестве первичного преобразователя в нем применен измерительный резонатор, резонансная частота которого зависит от толщины покрытия и его диэлектрических параметров. По смещению резонансной частоты находят контролируемую величину.

Успешно используются параметрические радиоволновые методы при контроле уровня и количества жидкостей или летучих веществ. В этом случае отрезок волновода или длинной линии обычно запаивается с одного конца, с другого – подключается измерительная аппаратура, а жидкость или газ вводятся сбоку через специально предусмотренное отверстие, которое не должно существенно влиять на параметры СВЧ-тракта.

С помощью резонатора Р или отрезков волноводов В (рис. 2.12) можно проводить контроль электромагнитных свойств различных веществ. При этом твердые тела непосредственно помещают в объем резонатора или волновода (рис. 2.12 а), а жидкие, сыпучие и газообразные вещества предварительно загружают в дозирующие ампулы (рис. 2.12 б) или пропускают по специально предусмотренным трубкам.

а б

Рис. . Схема контроля физико-химических свойств: а – твердых тел; б – жидкостей

Параметрические радиоволновые методы дают возможность обнаруживать лишь довольно грубые неоднородности (дефекты), такие как, например, металлические включения в диэлектрике, и вследствие этого имеют ограниченную область применения, исключение составляют дефектоскопы, построенные на принципах ядерных магнитных резонансов.

Контроль по одному параметру имеет довольно ограниченные возможности и часто не позволяет получить большую точность и достоверность, в связи с этим многопараметровый контроль применяется в двух случаях: требуется измерить один параметр независимо от других величин и необходимо определять несколько параметров у контролируемого объекта одновременно или поэтапно.

2.6.7 Визуализация радиоволновых полей

Визуализация (получение видимых изображений) распределения физических величин, характеризующих электромагнитное СВЧ-поле (плотности энергии, напряженности электрического или магнитного поля, их компонент и т. д.), необходима для изучения внутреннего строения сложных изделий (интроскопия, радиовидение) и для высокой производственной дефектоскопии объектов больших размеров (по сравнению с длиной волны и раскрывом антенн). В результате визуализации получают видимое радиоизображение, анализ которого дает возможность увеличить скорость контроля, облегчает расшифровку результатов для изделий различной формы.

Радиоизображение можно получить путем развертки (последовательный поэлементный анализ) или сразу во всех точках двухмерной картины (анализ в реальном масштабе времени).

Наиболее простым в конструктивном отношении примером устройства для визуализации распределения СВЧ - или тепловых излучений является радиовизор, который позволяет проводить наблюдения полей в плоскости его экрана в реальном масштабе времени. Положенный в его основу принцип преобразования интенсивности падающего на экран излучения в тепловую энергию, подогревающую люминофор, обеспечивает широкий спектральный диапазон его работы.

Основной элемент радиовизора (рис. 2.13) – люминесцирующий экран ЛС с нанесенным на него с внешней стороны тонким слоем металла СМ, который является неселективным преобразователем СВЧ - и инфракрасного излучения в тепловой рельеф. Экран ЛС с внутренней стороны равномерно освещается ультрафиолетовым светом лампы УЛ, интенсивность которого выбирается в зависимости от среднего уровня падающего излучения путем подбора мощности питания УЛ регулировочными элементами РЭ. Прошедшее или отраженное излучение от контролируемого объекта падает на слой СМ, в значительной степени поглощается им и создает на поверхности люминесцентного слоя ЛС различную температуру в зависимости от энергии, попадающей на данный участок. Яркость свечения люминофора зависит от его температуры и по яркости свечения экрана радиовизора судят о свойствах контролируемого объекта КО, облучаемого от источника излучения ИИ.

Рис. . Схема устройства радиовизора

Радиовизор является широкополосным устройством, дает наглядную картину распределения плотности энергии электромагнитного поля, прост в обращении и успешно используется для радиоволнового и теплового контроля. Неудобством при работе с ним является невысокая чувствительность, небольшие размеры изображения и то, что результаты контроля зависят от опыта оператора.

Получение изображения в реальном масштабе времени возможно также с помощью жидких кристаллов и фотоэмульсий (фотопленок), которые восприимчивы к тепловому действию СВЧ-излучения.

Средства визуализации СВЧ-полей могут быть применены так же для получения и анализа интерференционных картин и голографических изображений [1; 5; 6].

РАЗДЕЛ 3 ОПТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ

,

3.1 Общие вопросы оптического контроля

Оптические методы диагностики материалов основаны на взаимодействии светового излучения с контролируемым объектом и регистрации результатов этого взаимодействия [1–8]. Методы, характерные для оптического контроля, используют электромагнитное излучение диапазона длин волн в вакууме от до 103 мкм ( Гц) и охватывают ультрафиолетовое (УФ), видимое (ВИ) и инфракрасное (ИК) излучения. При этом объединяются они между собой общностью применяемых методик, способов и приемов проведения контроля. В большинстве вариантов контроля длина волны света мала по сравнению с геометрическими размерами деталей, элементов и дефектов контролируемых объектов, что позволяет использовать при анализе взаимодействия излучения с объектом методы геометрической оптики. Вместе с тем в ряде случаев (обнаружение дефектов малых размеров, контроль тонких пленок, испытания голографическими и интерференционными методами и др.) применяются методы, характерные для анализа волновых процессов [9]. В этой части методы оптического контроля близки методам радиоволнового контроля, аналогичны и величины, несущие полезную информацию.

Оптические методы контроля качества можно условно разделить на три группы:

1. Визуальный и визуально-оптический методы характеризуются тем, что результаты контроля в наибольшей степени определяются личными качествами оператора: его зрением, умением и опытом. Визуальные методы контроля качества – наиболее доступны и просты, поэтому имеют большое распространение.

2. Фотометрический, денситометрический, спектральный и телевизионный методы в основном строятся на результатах аппаратурных измерений и обеспечивают меньшую субъективность контроля, их применение по составу контрольно-измерительных операций ближе к работе с электронно-измерительными приборами.

3. Интерференционный, дифракционный, фазовоконтрастный, рефрактометрический, нефелометрический, поляризационный, стробоскопический и голографический методы используют волновые свойства света и позволяют производить неразрушающий контроль объектов с чувствительностью до десятых долей длины волны источника излучения.

С помощью оптических методов можно контролировать объекты из материалов, прозрачных и полупрозрачных для светового излучения. Если же материал объекта непрозрачен, у такого объекта можно проверять состояние внешних и внутренних поверхностей или размеров. В зависимости от свойств материала контролируемого объекта оптический контроль осуществляется в отраженном, прошедшем или рассеянном излучении, а в необходимых случаях и при комбинированном освещении. Параметры источников света (интенсивность, спектр, направление, поляризация и т. д.) выбирают исходя из конкретных условий, чтобы обеспечить максимальный контраст изображения. Во всех случаях желательно иметь в помещении общее освещение, создающее освещенность не менее 10 % от используемого местного освещения. При этом используют понятие контраста изображения дефекта: нормированный перепад яркости на дефектном участке и окружающем дефект фоне, т. е. отраженного или прошедшего сквозь материал контролируемого объекта света: