Физические основы оптического неразрушающего контроля

Оптический неразрушающий контроль (ОНК) осно­ван на анализе взаимодействия оптического излучения (ОИ) с объектом контроля (ОК).

Оптическое излучение или свет - электромагнитное излучение с длиной волны 10^-3... 10³ мкм, в котором принято выделять ультрафиолетовую (УФ), видимую и инфракрасную (ИК) области спектра с длинами волн соответственно 10^-3... 0,38; 0,38... 0,78 и 0,78... 10³ мкм.

Возникновение ОИ связано с движением электриче­ски заряженных частиц (электроны, атомы, ионы, моле­кулы). Дискретные спонтанные или индуцированные переходы носителей зарядов с более высоких на более низкие уровни энергии сопровождаются испусканием световых квантов (фотонов) с энергией, равной разности энергий этих уровней. Энергия фотона Е = hv, где h = 6,626 • 10^-34 Дж • с - постоянная Планка; v - частота излучения, Гц.

Скорость распространения ОИ в вакууме с₀ = = 299 792,5 км/с. В реальных средах ОИ распространяет­ся со скоростью v = с₀ / n =l0v/n =l v, где

п = - показатель преломления среды; e и m - относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости среды; l₀ и l - длина волны света в вакууме и среде соответственно.

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

Основными информационными параметрами объек­тов оптического контроля являются их спектральные и интегральные фотометрические характеристики, кото­рые в общем случае зависят от строения вещества, его температуры, физического (агрегатного) состояния, мик­рорельефа, угла падения излучения, степени его поляри­зации, длины волны.

К числу дефектов, обнаруживаемых неразрушаю- щими оптическими методами, относятся пустоты (нару­шения сплошности), расслоения, поры, трещины, вклю­чения инородных тел, внутренние напряжения, измене­ние структуры материалов и их физико-химических свойств, отклонения от заданной геометрической формы и т.д.

С помощью оптических методов внутренние дефек­ты выявляются только в изделиях из материалов, про­зрачных в оптической области спектра.

Использование оптического излучения как носителя информации перспективно. Электромагнитное поле по природе многомерно, что позволяет вести многоканаль­ную (многомерную) обработку информации одним уст­ройством с большой скоростью, определяемой скоро­стью света в данной среде.

Основные области применения оптических методов приведены в табл. 1. Особенно перспективно использо­вание резонансных эффектов взаимодействия ОИ с ОК, в том числе нелинейных, основанных на использовании сверхмощного лазерного излучения.

1. Основные области применения оптических методов НК и контролируемые параметры изделий

Область применения	Вид контроля
Металлургия	Контроль геометрии проката (проволоки, листов, труб, прутков, профилей), качества внутренней поверхности труб
Химическая промышленность	Спектральный анализ, контроль структуры пластмасс и полимеров, колориметриче­ский контроль растворов
Стекольное производство	Контроль геометрии стеклянных листов и труб, обнаружение инородных включе­ний, определение напряжений и фотометричеких характеристик
Текстильная промышленность	Контроль цветности материала, диаметра нитей, структуры ткани, люминесцентный контроль наличия жировых плен
Пожарная техника	Пожарные извещатели
Контроль окружающей среды	Определение степени запыленности и задымленности
Область применения	Вид контроля
Производство цемента	Гранулометрический анализ исходных материалов
Строительство	Контроль геометрии строительных конструкций, колориметрические измерения цвета плиток и т.д.
Маркшейдерия и горное дело	Контроль геометрии шахтных стволов, штреков, контроль абразивного износа тро­сов, определение степени запыленности и задымленности
Авиастроение	Контроль геометрии, визуальная эндоскопия двигателей
Электронная промышленность	Контроль двупреломления и других характеристик полупроводниковых материалов, контроль геометрии полупроводниковых структур (эллипсометрия)
Радиопромышленность	Контроль качества печатных плат на телевизионных и оптических проекторах, кон­троль геометрии фотошаблонов и др.
Электровакуумная промыш­ленность	Контроль напряжений в корпусах кинескопов, фотометрических характеристик лю­минофоров и источников света, геометрии элементов вакуумных приборов и т.д.
Производство фотоматериалов	Контроль однородности фотоэмульсии в ИК-лучах и толщины основы, спектромет­рия, сенситометрия, резольвометрия
Нефтехимическая промышлен­ность	Обнаружение мест утечки газа и нефти, анализ состава нефти
Пищевая промышленность	Люминесцентный контроль качества продуктов, визуальная микроскопия, спек­тральный анализ
Сельское хозяйство	Автоматическая сортировка семян и плодов по цвету, контроль качества молока, разделение клубней от комков земли, определение содержания белка в зерне, белиз­ны муки, качества яиц и т.п.
Полиграфическая промышлен­ность	Контроль колориметрических характеристик репродукций, денситометрия

Основной характеристикой ОИ является поток из­лучения (мощность светового потока) Ф = dQ/dt, где Q - энергия, Дж; t - время, с. Пространственные харак­теристики ОИ описываются силой излучения I = dФ/dt (Вт/ср) (лучистый поток в единице телесного угла dw) и лучистостью L = dI/dScosa (Вт/ср • м²) (отношение силы излучения в направлении а к проекции излучающей по­верхности dS на плоскость, нормальную этому направ­лению) и формой индикатрис этих величин. Важной ха­рактеристикой является плотность лучистого потока по облучаемой поверхности Е = dФ<dS (Вт/м²), где dS - площадь облучаемого элемента.

В видимой области спектра применяют систему световых единиц, соответствующую зрительному ощу­щению лучистых потоков с учетом спектральной чувст­вительности глаза. Единицей светового потока является люмен (1 лм = 1/683 Вт для l = 0,55 мкм), сила света измеряется в канделах (кд), освещенность Е - в люксах (лк), яркость - кд/м² (1 кд = лм/ср, 1 лк = 1 лм/м²).

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

к = (В₀-В_ф)/(В₀ + В_ф),

где В₀иВф- яркости объекта в областях дефекта и фона.

Аналитический расчет контраста дефектов в зави­симости от описанных выше факторов представляет сложную задачу, решение которой получено пока только для простейших случаев. Поэтому необходимы экспери­ментальные спектрогониофотометрические и поляриза­ционные исследования оптических свойств ОК и его де­фектов.

В общем случае между спектральными и (или) ин­тегральными фотометрическими коэффициентами отра­жения r, пропускания t, поглощения a и рассеяния s ОК существует связь a+r+t+s=1.

Свойства зрения. При работе с приборами визу­ального контроля (микроскопы, проекторы, эндоскопы, телескопы, телевизионные системы и др.) важно пра­вильно использовать свойства зрения оператора. Зрение (видение) является сложным динамическим нелинейным процессом, включающим сканирующие, конвергенцион ные (фокусировочные) и адаптационные (изменение диаметра зрачка) движения глаз и обработку зрительной информации в центральной нервной системе человека.

Разрешающая способность зрения e, т.е. способ­ность различать мелкие детали изображения, зависит от яркости, контраста, цветности и времени наблюдения ОК. Она максимальна в белом или желто-зеленом свете при яркости 10... 100 кд/м², высоком контрасте объекта (|k|≥ 0,5) и времени наблюдения 5... 20 с.

Угловая разрешающая способность глаза (т.е. ми­нимальный угол между деталями изображения, которые он различает) равна I’ при расстоянии до объекта l = 250 мм и соблюдении указанных выше условий. Ли­нейное разрешение в плоскости OK е= la» 250 • 0,0003» 0,08 мм. Частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) глаза имеет максимум при угловом размере объекта а» 1° и спад в областях как низких, так и высоких про­странственных частот. Использование увеличивающей оптики (лупа, микроскоп) повышает разрешение в число раз, равное увеличению прибора. Применение микро­скопов обеспечивает разрешение е» 1... 5 мкм.

Дифракционный предел линейного разрешения оп­тического прибора определяется длиной волны света и составляет lmax» 0,5 мкм для зеленого света.

Стереоскопическое разрешение глаза, т.е. способ­ность раздельно различать по глубине детали объекта, составляет примерно 5... 10" для оптимальных условий наблюдения, указанных выше. Применение специальных приборов (стереомикроскоп и др.) повышает разрешение по глубине пропорционально их увеличению.

Глаз способен различать большое число цветовых оттенков, что широко используют в колориметрических системах ОНК, в том числе на основе систем цветного телевидения. В основе методов количественной оценки цветов лежит гипотеза о наличии в глазе трех типов ре­цепторов, имеющих различную спектральную чувстви­тельность. Для проверки цветового зрения выпускают специальные атласы цветов, состоящие из наборов пла­стинок разного цвета с известными координатами цвета.

Поле зрения глаза составляет примерно 125 х 150° (180° по горизонту для обоих глаз). При этом зона четко­го видения составляет около 2°. Время инерции зрения - около 0,1 с.

Важнейшей характеристикой зрения является кон­трастная чувствительность (КЧ), т.е. минимальная обнаруживаемая разность яркостей k = объекта и фона, причем kmin примерно равно 0,01 прй В = 10...100 кд/м²

в зеленом свете и угловом размере объекта более 1°.

Качество изображения дефекта, определяющее его выявляемость, называется видимостью V = k/kmin, где

k и kmin - фактический и минимальный в данных услови­ях контрасты.

Эффективность процесса визуальной дефектоско­пии определяется оптическими характеристиками объек­та контроля, светотехническими параметрами внешней среды, свойствами оператора и качеством применяемых оптических приборов. Эти факторы находятся в сложном взаимодействии и в совокупности составляют диалекти­ческое единство условий, влияющих на производитель­ность контроля, его надежность и точность.

В практической работе оператор решает зритель­ную задачу, состоящую из следующих основных элемен­тов: обнаружение из фона, различение в деталях и распо­знавание конкретного объекта как обобщенного образа. В ряде случаев необходимо измерение изображения объ­екта или другие операции, связанные с его обработкой.

Вероятность успешного решения зрительных задач зависит от контраста объекта (К), его углового размера (a), яркости фона (L) и времени наблюдения (Т).

Процесс обнаружения объекта начинается со слу­чайного поиска. В течение 1 с глаз совершает 3... 5 скач­ков длительностью 0,04 с на угол 6... 8° при поле обзора 30° и на угол 2° при поле обзора 9°. После очередного скачка происходит фиксация взгляда примерно в течение 0,3 с, во время которой глаз совершает микродвижения: тремор, дрейф, микросаккады. Тремор характеризуется частотой около 100 Гц и амплитудой около 1. Плавные смещения взора (до 1,3°) определяют дрейф; резкие скачки в пределах центральной ямки называют микросаккадами. Если в зоне фиксации объект не обнаружен, происходит следующий скачок. Вероятность обнаруже­ния одиночного объекта на однородном фоне в зависи­мости от длительности поиска описывается формулой Травниковой:

где С_Б - 16 град² (кд/м²)^-0,3 (угл. мин)^-3 с^-2; К₀ =DL/L_V - яркостный контраст объекта на фоне яркостью L_V; γ0 — угловой размер объекта; t - время поиска; 2β - угловой диаметр поля обзора.

Вероятность обнаружения движущихся объектов

где С_д = 4 (угл. мин)^-3 • (кд/м²)^-0,3 • ; 2β/t - угловая cкорость движения объекта.

При использовании оптических приборов для на­блюдения поля обзора необходимо пересчитать входя­щие в выражения величины для пространства изображе­ний:

где Г - увеличение оптики; q_p = 0,05... 0,1 - коэффици­ент светорассеяния; t - коэффициент светопропускания оптики.

Если на наблюдаемом изображении заметны поме­хи, для ориентировочной оценки вероятности обнаруже­ния объекта рекомендуется пользоваться формулой

вос­принимаемое оператором отношение сигнал/помеха. При использовании последней формулы применительно к телевизионным изображениям необходимо, чтобы число строк на высоту кадра превышало 232, а на объект обна­ружения приходилось не менее четырех строк.

---

Дата добавления: 2015-09-06