Радиостатистический метод экспресс-контроля качества веществ (стр. 6 )

Методы неразрушающего контроля

В работе рассмотрены отдельные методы неразрушающего контроля, которые наиболее часто используются при контроле веществ. К ним относятся оптический и радиоволновой методы неразрушающего контроля [ 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41].

Оптические методы контроля

Оптические методы неразрушающего контроля основаны на анализе взаимодействия оптического излучения с объектом контроля. Методы оптического контроля и области их применения приведены в ГОСТ 23479-79 и ГОСТ 24521-80.

Информационными параметрами оптического излучения являются пространственно-временные распределения его амплитуды, частоты, фазы, поляризации и степени когерентности. Для получения дефектоскопической информации используют изменение этих параметров при взаимодействии оптического излучения с объектами контроля в соответствии с явлениями интерференции, дифракции, поляризации, преломления, отражения, поглощения, рассеяния, дисперсии света, а также изменение характеристик самого объекта контроля под действием света в результате эффектов фотопроводимости, фотохромизма, люминесценции, электрооптических, механооптических, магнитооптических, акустооптических и других явлениях.

Спектр оптических излучений подразделяется по длине волны на три участка:

инфракрасное излучение (от 1 мм до 780 нм); видимое излучение (от 780 нм до 380 нм); ультрафиолетовое излучение (от 380 нм до 10 нм).

Разрешающая способность оптических методов определяется по формуле [ 42]:

       (1.2)

где А – коэффициент преломления среды (материала между наблюдаемым объектом и линзами);

– длина волны.

К числу дефектов, обнаруживаемых неразрушающими оптическими методами, относятся пустоты, расслоения, трещины, поры, включения инородных тел, внутренние напряжения, изменение структуры материалов и их физико-химических свойств.

Фотометрическая аппаратура весьма разнообразна [ 43]. Для спектральных измерений применяют спектрофотометры различных конструкций, монохроматоры и 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 другими 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".

Несмотря на разнообразие типов и схемотехнических решений фотометров, все они содержат источник и приемник излучения, оптические элементы различного назначения (линзы, призмы, зеркала, поляроиды, аттенюаторы, световоды, светофильтры, светоделители, дифракционные решетки и т. п.), а также электронные схемы обработки сигналов.

Современные фотометры делятся на два типа:

прямого отсчета; метода сравнения.

В первых используется световая характеристика приемника, т. е. зависимость сигнал-свет. Эти приборы обычно имеют один приемник; шкала в них градуирована непосредственно в световых единицах.

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

Фотометры сравнения (ФС) делятся на три группы:

c одновременным сравнением потоков с помощью двух фотодетекторов; с последовательным сравнением потоков при одном фотодетекторе; с компенсацией эталонного излучения (метод замещения).

Для высокоточных измерений применяют обычно двухлучевые фотометры, позволяющие устранять влияние нестабильности характеристик источников света и приемника излучения на результаты испытаний. Наивысшей точностью обладают фотометры с оптической компенсацией, реализующие способ замещения. Их погрешность составляет 0,1–0,5 %.

Возможности конструктивно более простых одноканальных фотометров прямого измерения в видимой и ближней ИК-области спектра существенно расширились за счет разработки метода самокалибровки кремниевых фотодиодов. Сущность его заключается в точном определении абсолютной чувствительности фотодиодов специальной конструкции для волны излучения фиксированной длины. Погрешность измерения мощности в диапазоне 1–10 мВт лазерного излучения при длине волны 0,63 мкм составляет 0,05 %.

Одними из наиболее распространённых приборов визуального контроля являются микроскопы – бинокулярный, стереоскопический и проекционный. Точность контроля объекта при работе с проекционным экраном несколько меньше, чем при наблюдении в окуляр.

Бинокулярные и проекционные микроскопы можно разделить на эпископические (для контроля в отражённых лучах) и диаскопические (для контроля в проходящих лучах).

В эпископических приборах контроль осуществляется в светлом поле зрения. Основным недостатком является малая яркость и недостаточная контрастность изображений.

Диаскопические проекторы представляют собой либо просмотровую лупу, создающую мнимое, прямое, увеличенное изображение, либо проекционное устройство, создающее действительное, обратное, увеличенное изображение. Рассматривание кадра осуществляется при освещении либо от специального источника света с искусственной подсветкой, либо на каком-нибудь ярком фоне с естественной подсветкой.

Радиоволновые методы контроля

Радиоволновой неразрушающий контроль [43] основан на анализе взаимодействия электромагнитного излучения радиоволнового диапазона с объектами контроля. В отличие от методов аналитической химии, данные методы являются неразрушающими, т. е. не приводят к разрушению или выводу из строя объектов контроля. На практике наибольшее распространение получили СВЧ-методы, использующие диапазон длин волн от 1 до 100 мм.

Описание и общие требования к радиоволновым методам неразрушающего контроля приведены в ГОСТ 23480-79. Согласно данного ГОСТа, требования к погрешности радиоволновых методов устанавливается на уровне 1–5 %.

Преимущественная область применения методов и техники СВЧ – это контроль полуфабрикатов, изделий и конструкций из диэлектрических, композитных, ферритовых и полупроводниковых материалов, в которых радиоволны распространяются.

Элементная база радиоволнового контроля состоит из источников энергии СВЧ (электровакуумные приборы, генераторы на базе полупроводниковых приборов) и приемников волн СВЧ (термоэлектрические индикаторы, выпрямляющие устройства).

По первичному информативному параметру различают следующие СВЧ-методы: амплитудный, фазовый, амплитудно-фазовый, геометрический, временной, спектральный, поляризационный, голографический. Основные области применения СВЧ-методов представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Основные области применения СВЧ-методов

Контролируемые параметры	Характеристики	Рабочий диапазон длин волн
Геометрический параметр объекта: толщина, диаметр, нецилиндричность	Чувствительность ±5 мкм Диапазон толщин 1–500 мм Погрешность 3–10 %	8–30 мм
Наличие и параметры дефектов	Пустоты, включения, изменения плотности, трещины Чувствительность – микротрещина 0,1 х 10 мм или расслоение 0,05 х 10 х 10 мм	4–30 мм
Структура, остаточные, тепловые и механические напряжения	Диэлектрики Анизотропия через контроль изменений диэлектрических свойств с погрешностью 0,5–3 %	2–30 мм
Влажность	Диапазон 0,5–80 % Погрешность 0,5–3 %	20–30 мм
Вибрации	Амплитуда 0,05–10 мм Частота 0,1 Гц–100 МГц	8–30 мм
Скорость движения, смещение объекта, поворот	Диапазон до 200 км/ч Чувствительность 2,5 х 10~5мм Чувствительность ≤ 1′	8–100 мм 2–8 мм
Медицинская диагностика	Контроль состояния внутренних органов	СВЧ-диапазон

Методы этого вида контроля позволяют определять толщину и обнаруживать внутренние и поверхностные дефекты в изделиях преимущественно из неметаллических материалов. Радиоволновая дефектоскопия дает возможность с высокой точностью и производительностью измерять толщину диэлектрических покрытий на металлической подложке. В этом случае амплитуда зондирующего сигнала представляет собой основной информационный параметр. Амплитуда проходящего через материал излучения уменьшается по многим причинам, в том числе из-за наличия дефектов. Кроме этого, изменяются длина волны и ее фаза.

Существуют три группы методов радиоволновой дефектоскопии: на прохождение, отражение и на рассеяние.

Аппаратура радиоволнового метода обычно содержит генератор, работающий в непрерывном или импульсном режиме, рупорные антенны, предназначенные для ввода энергии в изделие и приема прошедшей или отраженной волны, усилитель принятых сигналов и устройства для выработки командных сигналов, управляющих различного рода механизмами.

Изменение относительно амплитуды волны отсчитывается на эталонном изделии. Амплитудные дефектоскопы наиболее просты с точки зрения настройки и эксплуатации, но их применяют только для обнаружения достаточно больших дефектов, значительно влияющих на уровень принятого сигнала.

Амплитудно-фазовые дефектоскопы позволяют обнаруживать дефекты, изменяющие как амплитуду волны, так и ее фазу. Такие дефектоскопы способны давать достаточно полную информацию, например, о качестве заготовок фольгированных диэлектриков, предназначенных для изготовления отдельных слоев многослойных печатных плат.