Методы экспериментального определения теплофизических характеристик объектов

Основными теплофизическими характеристиками (ТФХ) объектов являются теплоемкость с [Дж/(кг•К)], теплопроводность lT (Вт/(м • К)) и температуропроводность a ( /с). В общем случае ТФХ зависят от температуры, давления. Для твердых материалов ТФХ могут считаться однопараметрическими функциями температуры, а в узком диапазоне температур - постоянными. В настоящее время нет универсальных теоретических моделей, позволяющих рассчитывать ТФХ реальных материалов исходя из особенностей их строения, поэтому основным методом определения ТФХ является экспериментальный.

ТФХ функционально связаны между собой через объемную плотность r (кг/см3) соотношением l = aсr. Теоретической основой их определения является феноменологическая теория теплопроводности.

Методы измерения ТФХ основаны на анализе температурного отклика объекта Т (х, у, z, t) на тепловое воздействие в специально оговариваемых условиях. Теория теплопроводности позволяет аналитически определять эту функцию, по крайней мере для тел простой формы, если ТФХ остаются неизменными в условиях опыта. Здесь х, у, z, - декартовы координаты; t - время.

Однако для упрощения вычислений стремятся использовать внутренние обратные задачи теплопроводности, приводящие к явным аналитическим выражениям для l, a, с, независимо связывающими их с тепловым воздействием, температурным полем и геометрией образца. В частности, можно обеспечить условие одномерности температурного поля T(г, t), где г - радиус-вектор.

Таким образом, теоретическую основу реальных методов измерения ТФХ составляют аналитические закономерности одномерных плоских, цилиндрических и сферических тепловых и температурных полей в образцах типа пластины, цилиндра, шара.

Вид функции T(r, t) существенно зависит от вида теплового воздействия на объект. Обычно применяют такие воздействия, как импульсное, изотермическое, с помощью источников постоянной мощности или их комбинации. Для этих воздействий имеются строгие аналитические решения, они легко реализуются на практике.

Количественная оценка ТФХ и теплового состояния, в частности ограждающих строительных конструкции, является достаточно сложным решением обратной задачи, связанной главным образом с расчетным и экспериментальным определением основной количественной характеристики - сопротивления теплопередаче:

где RCT = d/lт - термическое сопротивление; d - толщина ограждающей конструкции (стены); lT - коэффициент теплопроводности изолирующего материала; aв и aн - коэффициенты теплообмена (теплоотдачи) внутренней и наружной поверхностей, с учетом конвективной и лучистой компонент, определяемые экспериментально с помощью датчиков теплового потока.

Термическое сопротивление реальных объектов (ограждающих конструкций) равно:

где Tпв и Тн в - температура воздуха внутри помещения и снаружи, Tн. ст - наружная температура стены.

Трудность в получении точных значений сопротивления теплопередаче RCJ обусловлена нестационарным характером реального теплообмена в зданиях (из-за сквозных и восходящих воздушных потоков) и другими источниками помех.

По приведенным выше формулам, с учетом качественно измеренных aв и aн, численное значение RCT можно определить с погрешностью не более ± 15 %, что вполне приемлемо для практических расчетов.

Приборы контроля ТФХ подразделяются в зависимости от методов измерения, а также от характерного размера образца (обычно он в 10... 100 раз должен превышать стандартный размер элементов структуры исследуемого вещества), его агрегатного состояния (твердое тело, газ, жидкость), от температурного диапазона измерения и диапазона измерения измеряемой величины. Размеры образцов обычно выбираются примерно 5... 10 мм для мелкодисперсных материалов (характерный размер структурных элементов ≤ 0,1 мм) и 50... 100 мм для сред с более крупными элементами.

Наиболее распространены приборы для измерения ТФХ в диапазоне нормальных температур (300 ± 50 К), однако выпускаются и средства измерения ТФХ при высоких и низких температурах, в условиях вакуума или при больших давлениях.

Тепловое воздействие от источника нагрева передается образцу за счет конвективного, контактного или лучистого теплообмена. При нагреве электрическим током образец совмещается с источником.

На поверхности образца или внутри его, а также в элементах нагрева и других устройствах размещаются датчики температуры или теплового потока (тепломеры). Образец в совокупности с перечисленными блоками составляет квазиизотермическую теплоизмерительную ячейку. Уровень температуры ячейки и закон его изменения во времени обеспечиваются устройством задания режима; содержащими изотермические оболочки с нагревателями, теплообменники, тепловую изоляцию. Оно обеспечивает также охлаждение ячейки после опыта. В качестве датчиков температур используются термопары или терморезисторы. Тепломеры применяются термоэлектрические, энтальпийные и т.п. Для приведения образца в контакт с пробным элементом используются блоки обеспечения контакта (механические, электромеханические и т.п.).

Для экспрессных измерений ТФХ применяют метод, основанный на сравнении с ТФХ стандартных образцов.

В схеме стандартного l-калориметра для измерений в диапазоне l= 0,04... 80 Вт/(м • К) образец-пластину и контактирующий с ним тепломер обычно помещают между двумя массивными металлическими блоками с одинаковой теплоемкостью и окружают теплоизоляцией. Верхний блок нагревают на 5... 10 К больше нижнего. В образце после некоторой выдержки устанавливается почти стационарный тепловой поток в соответствии с перепадом температур в металлических блоках и суммарным тепловым сопротивлением образца и тепломера. В опыте измеряют перепад температур на образце (DT0) и тепломере (DTT). Теплопроводность расчитывают по формуле

где h - толщина образца; s - площадь тепломера; Кт - эффективная тепловая проводимость тепломера; Кт = Q/DTT, определяется непосредственно в тепловом блоке с помощью образцовых мер теплопроводности из оргстекла, кварца или стали.

В схеме нестандартного l-калориметра переходный тепловой процесс используется для одновременного измерения теплоемкости. Для неразрушающего контроля теплоемкости (в диапазоне l = 0,04... 2 Вт/(м • К)) и температуропроводности (в диапазоне l = (0,8... 10) /с)) создан прибор, принцип действия которого основан на закономерностях изменения нестационарной теплопроводности при изотермическом нагреве образца массивным металлическим зондом. В эксперименте определяют либо поток тепла от зонда к изделию с помощью градиентного тепломера, либо малое изменение температуры зонда (с погрешностью до 0,001 К), контактирующего с образцом, при использовании энтальпийного тепломера. В обоих случаях регистрируют первоначальный перегрев DТ» 10 К зонда относительно изделия с помощью термопарного датчика. Конструктивно прибор состоит из двух блоков - термоизмерительного и электронного. Термоизмерительный блок расположен в корпусе, перемещающемся до соприкосновения зонда с объектом относительно трех игольчатых опор, накладываемых на объект (в этих же опорах смонтированы датчики перегрева зонда). Рабочая площадка, контактирующая с объектом, имеет диаметр контактного пятна 1,3 или 10 мм. В электронном блоке размещены системы автоматического регулирования температуры (САРТ) зонда и обработки информации с индикатором. Время измерений составляет 3... 10 мин, погрешность 7 %. Калибровка (поверка) прибора производится с помощью образцовых мер А, и а, изготовленных из стекла, стали или кварца. Прибор может эффективно применяться при экспресс- контроле ТФХ теплоизоляции, различных строительных материалов, горных пород, других объектов.

Приборы с оптическим импульсным нагревом отличаются бесконтактностью, дистанционностью, производительностью, возможностью испытания образцов в вакууме, атмосфере инертного газа, при различных дополнительных воздействиях. Основные объекты - керамика, композиты, полимеры, металлы и сплавы, тепло- изоляторы и т.д.

Чаще всего метод реализуют с помощью импульсного лазера (метод лазерной вспышки, МЛВ). МЛВ применим при следующих допущениях: образец теплоизолирован, длительность импульса вспышки Тв <<Тт, где Тт - характерное время распространения теплового импульса в материале образца, распределения энергии по сечению лазерного пучка и коэффициента поглощения по поверхности образца однородны, образец однороден (гомогенен) и не меняет своих ТФХ в диапазоне температур нагрева.

Тогда температуропроводность a» 0,14 t0.5, где ;l - толщина образца; t0.5 - время достижения обратной стороны образца температуры, равной DТ = 0,5 DТmax

Импульсный лазер генерирует импульс излучения длительностью с и энергией Еп = 3... 6 Дж. Обычно применяют лазер на рубине (l= 0,69 мкм). Часть излучения направляют на фотодиод, сигнал с которого поступает в блок измерения энергии импульса и в блок генератора синхроимпульсов, связанного с контролером. Образец обычно помещают в полости электрической печи для адиабатизации и нагрева при широкотемпературных исследованиях материалов.

Термодатчик представляет собой ИК-пирометр или специальную термопару, привариваемую к образцу с помощью серебряных или других паст. Вместо лазера в подобных установках иногда применяют ксеноновую лампу-вспышку.

Для метрологического обеспечения теплофизических измерений применяют наборы рабочих эталонов (РЭ) и образцовых мер (ОМ), которые охватывают теплопроводности твердых тел в диапазоне температур. ОМ, аттестованные по теплопроводности и удельной теплоемкости, применяют и для проверки приборов измерения температуропроводности, с использованием соотношения l = aсr.

4. Коэффициенты теплопроводности наиболее часто используемых материалов

По теплопроводности и удельной теплоемкости ат­тестованы стандартные образцы из оптического кварца КВ, стекла ТФ-1 и ЛК-5, стали 12Х18Н10Т.

В табл. 4 приведены ТФХ ряда материалов.

Структура и элементная база систем теплового контроля

Обобщенная функциональная схема автоматической системы ТНК показана на рис. 3. Контроль с помощью этой системы осуществляется следующим способом.

Рис. 3. Обобщенная функциональная схема автоматической системы активного теплового неразрушающего контроля:

1 - источник теплового возбуждения; 2 - объект контроля;

3 - дефектоотметчик; 4 - сканирующее устройство; 5 - оптическая система и приемник излучения; 6 - устройство выбора оптимального времени регистрации температуры; 7 - электронный блок; 8 – ЭВМ

Контролируемый объект 2 подвергается воздейст­вию со стороны источника теплового возбуждения (ИТВ) 1. Нагретая поверхность объекта становится ис­точником инфракрасного излучения, поступающего в оптическую систему и на приемник излучения 5. Скани­рующее устройство 4 перемещает нагреватель I с посто­янной скоростью вдоль контролируемой поверхности, а также непрерывно обследует заданную траекторию. Блок 6 автоматически подбирает оптимальное время регист­рации температуры для каждого типа контролируемого изделия в зависимости от ТФХ материала и времени на­грева. Электронный блок 7 непосредственно управляет устройством 4, блоком 6, дефектоответчиком 3, отмечает контур дефекта на поверхности контролируемого объек­та. Для обработки результатов контроля в состав АС АТНК входит ЭВМ 8.

В качестве ИТВ можно использовать различные ти­пы нагревателей (например, инфракрасные кварцевые галогенные лампы, когерентные излучатели (лазеры), индукционные нагреватели, воздушные струи и т.п.). Достоверность АТНК в немалой степени зависит от ИТВ, нагревающего поверхность контролируемого объ­екта до температуры, превышающей температуру окру­жающей среды на 5... 100 К. Основными параметрами ИТВ являются плотность теплового потока, равномер­ность нагрева и размеры зоны нагрева. Для обнаружения дефектов малых размеров ИТВ должны отличаться вы­сокой равномерностью нагрева, так как неравномерно нагретые участки могут быть классифицированы как ложные дефекты. При 2 %-ной чувствительности тепло­вого контроля неравномерность нагрева не должна пре­вышать 2 К при уровне нагрева 100 К.

Оптические системы собирают и фокусируют поток лучистой энергии на чувствительном элементе приемни­ка излучения. Они могут быть выполнены в виде зер­кального или линзового объектива. Зеркальные объекти­вы используются при предъявлении высоких требований к чувствительности, а линзовые - при необходимости высокого геометрического разрешения. Чаще использу­ются зеркальные объективы. В зависимости от размеров, конструкции контролируемых объектов могут приме­няться телеоптические, микроскопические и нормальные объективы. Основными параметрами объективов явля­ются фокусное расстояние, диаметр, угловое поле, раз­решающая способность. Для доступа к труднодоступным объектам контроля используют зеркальные или волокни­стые световоды.

Главным элементом оптической системы АС АТНК является приемник излучения, который преобразует ин­фракрасное излучение в электрический сигнал.

Сканирующее устройство перемещает с постоянной скоростью оптическую ось системы по одной или двум взаимно перпендикулярным координатам. В зависимости от конструкции оптико-механического сканирующего устройства траектория сканирования может быть спи­ральной, розеточной, прямоугольной и др. Можно ис­пользовать сканирующие устройства на основе колеб­лющихся плоских зеркал, вращающихся зеркальных призм, барабанов, пирамид, преломляющих клиньев. Важным параметром сканирующего устройства является количество строк, просматриваемых в единицу времени. От прилегания просматриваемых строк друг к другу за­висит качество получаемой тепловой картины объекта, а от времени нахождения визируемого участка объекта контроля в мгновенном поле зрения прибора - ее ин­формативность.

К числу наиболее важных параметров сканирующих устройств можно отнести максимальный угол сканиро­вания, частоту вращения барабана или качания зеркала, размеры пятна сканирования.

Анализ результатов теоретических расчетов и экс­периментальных исследований показывает, что сущест­вует оптимальное время регистрации температуры после окончания нагрева, которое зависит от времени нагрева объекта и от глубины залегания дефекта, поэтому при его изменении возможен послойный контроль объекта и выявление дефектов на различной глубине. Для досто­верного обнаружения дефекта необходимо выбирать та­кое время регистрации, при котором температурный контраст над дефектом с наименьшей глубиной залега­ния превышал бы разрешающую способность в 3... 4 раза.

Электронный блок определяет уровень порогового сигнала и подавляет помехи, возникающие в процессе контроля. Помехи могут быть вызваны следующими причинами: неравномерный нагрев объекта контроля вдоль траектории сканирования, изменение расстояния от нагревателя до поверхности контролируемого объек­та, случайные изменения ТФХ объекта, изменение напряжения питания и т.п. Случайные помехи можно по­давлять фильтрованием суммарного сигнала и выделе­нием полезного сигнала, вызванного дефектом.

Дефектоотметчик должен иметь достаточно про­стую конструкцию и малую инерционность для разметки контура дефекта с высокой скоростью и перемещения синхронно со сканирующим устройством. Наличие дефектоотметчика позволяет оперативно оценивать обна­руженный дефект.

Наличие ЭВМ позволяет накапливать, хранить и документировать данные контроля, реализовывать слож­ные алгоритмы определения геометрических характери­стик дефектов, определять координаты и площадь де­фектов.

16.4 ДРУГИЕ ВОЗМОЖНЫЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ТНК

Вибротепловизионный метод

Вибротепловизионный метод особенно перспекти­вен для анализа изделий, работающих в условиях вибра­ции. В материалах с дефектами структуры под воздейст­вием вибрации возникают температурные поля, что обу­словлено рассеянием энергии колебаний на дефектах и превращением ее в теплоту за счет внутреннего перегре­ва в материале. В областях нарушения гомогенности структуры возникают локальные зоны перегрева объек­та. На термограммах вибрирующих пластин и других объектов четко выявляются дефекты типа расслоений, несплошностей и т.п.

При температурной чувствительности тепловизора 0,1 К в полимерных материалах дефекты типа расслое­ний размером порядка 5x6 мм² выявляются на глубинах залегания до 2... 3 мм.

Для объектов, подвергаемых циклическому механи­ческому нагружению с частотой f возрастание темпера­туры от первоначальной DТ после п циклов колебаний, совершаемых за время t, определяется выражением

где d - декремент затухания; с - удельная теплоемкость материала; r - плотность материала; Е - модуль упруго­сти; s₀ - амплитуда механического напряжения.

В «слабых» (дефектных) зонах объекта амплитуды колебаний больше соответствующих значений для без­дефектных участков материала. Разность температур растет с увеличением частоты колебаний, достигая 0,8 К при f» 100Гц и t» 50с для образцов из стали. Вибрация изделий на частотах, соответствующих резонансным колебаниям дефектных участков, дополнительно повы­шает чувствительность метода.

Вибрационное возбуждение объектов можно реали­зовать с помощью пьезоакустических и других стандарт­ных средств. Наиболее информативный диапазон частот выбирают либо расчетным путем, либо эксперименталь­но на имитаторах дефектов. Каждому дефекту соответ­ствует своя характерная частота, поэтому контроль целе­сообразно проводить на нескольких частотах.

Разработана система для бесконтактного количест­венного анализа напряжений в объектах, подвергаемых циклическому нагружению. Принцип действия системы основан на термоэластическом эффекте, т.е. пропорцио­нальности температурного градиента DТ на поверхности объекта соответствующим изменениям основных напря­жений Ds, возникающих в материале при циклической нагрузке: DТ=-kТDa, где Т - средняя температура объ­екта; k - термоэластический коэффициент. Значения DТ для большинства материалов невелики, порядка 0,01 °С, что требует использования сверхчувствительных тепловизионных систем, в частности, с современными фотоприемниками, на базе тройных соединений (КРТ - кадмий - ртуть - теллур), охлаждаемых жидким азотом или гелием.

Метод тепловой томографии

Тепловая томография (ТГ) метод визуализации внутренних сечений объекта с помощью тепловых эф­фектов. Его можно реализовать импульсным облучением объекта плоским равномерным пучком излучения и по­следовательной регистрацией «тепловых отпечатков» дефектов или неоднородностей теплофизических пара­метров контролируемой структуры на противоположной стороне изделия с помощью быстродействующего теп­ловизора.

Один из вариантов ТТ основан на регистрации на термограммах в различные моменты времени тепловых изображений дефектов, расположенных на различной глубине. Записывая эти изображения, например в циф­ровое ОЗУ, можно затем последовательно просматривать строение слоев изделия на различной глубине. Этот ме­тод получил название метода хронологических термо­грамм (ХТГ) или динамической тепловой термографии (ДТТ). Исходной зависимостью теории ДТТ является зависимость температурного перепада над дефектом от времени, т.е. DT(t). Количество различимых слоев дости­гает п»15 для углепластика, п» 6 - для бетона.

Другой вариант ТТ основан на использовании алго­ритмов реконструкции изображений, используемых в традиционной технике томографа. Например, система трехмерного контроля внутренних тепловых неоднород­ностей объекта может быть основана на использовании «эффекта миража». С помощью цилиндрической линзы на поверхности изделия фокусируется лазерное излуче­ние в виде узкой полоски. Вспомогательный лазерный луч направляется вдоль этой полоски над поверхностью изделия (например, полированной кремниевой пластин­ки и т.п.). Объект последовательно перемещается в на­правлении, перпендикулярном освещаемой полоске, а после каждого цикла перемещения поворачивается отно­сительно оси, совпадающей с направлением излучения. С помощью позиционно-чувствительного фотоприемни­ка получают матрицу «проекций» для всех положений объекта, а затем восстанавливают изображение по стан­дартным алгоритмам. Для трехмерного контроля исполь­зуют второй пробный луч, направляемый параллельно первому над обратной стороной объекта.

Для получения изображения форматом 18 х 18 то­чек достаточно выполнить 36 измерений (18 х 2 с пово­ротом на 90°). Увеличение количества проекций улучша­ет качество изображения, но резко повышает длитель­ность обработки. В настоящее время есть перспектива создания методов ТТ, работающих в реальном времени.

Тепловизионный метод контроля влажности

Наличие влаги в объектах, особенно пористых, с развитой поверхностью обусловливает интенсивный процесс испарения за счет инфильтрации воды из подпо­верхностных областей материала. Процесс испарения сопровождается уменьшением температуры поверхности объекта. Тепловизионные методы позволяют дистанци­онно, наглядно и оперативно определять места скопле­ния влаги в объектах по термографическому изображе­нию, на котором зоны с повышенной интенсивностью испарения выглядят как менее нагретые.

Такие методы применимы в естественных условиях при наличии градиентов температуры между объектом и окружающей средой. Использование каких-либо источ­ников искусственного нагрева изделий (например, мощ­ных ИК-лазеров, СВЧ генераторов и т.п.), стимулирую­щих повышение скорости испарения, дополнительно увеличивает информативность метода.

Методы отличаются оперативностью и простотой процедур контроля. Однако количественная интерпрета­ция результатов контроля достаточно трудна, что обу­словлено сложностью анализа процесса массо- и тепло- переноса, особенно в сложных метеоусловиях. В связи с этим целесообразно использовать тепловизионные мето­ды в сочетании с каким-либо традиционным методом измерения влажности, используемым для получения ка­либровочных оценок влажности материала в некоторых опорных, реперных точках объекта. Например, эффек­тивно сочетание тепловизионного метода с инфракрас­ной рефлектометрией, реализуемой, например, с помо­щью ИК лазеров или других источников. Метод инфра­красной рефлексометрии основан на сильной зависимо­сти интенсивности поглощения излучения в некоторых характерных линиях ИК-спектра (например, l = 1,9 мкм и др.) от влагосодержания вещества. Для исключения мешающих факторов (колебания отражательной способ­ности, обусловленные локальными изменениями шеро­ховатости, цветности и подобными свойствами материа­ла) применяют дифференциальный метод, который ос­нован на сравнении коэффициентов отражения объекта в двух участках спектра. В одном участке отражение не зависит от влажности материала, но изменяется в соот­ветствии с упомянутыми факторами, а в другом - зави­сит от этих факторов, и от влажности.

Вихретокотепловой метод

Вихретокотепловой (ВТТ) метод основан на радио- импульсном возбуждении металлических объектов по­лем индуктора, приеме теплового отклика приповерхно­стным преобразователем во время и после теплового воздействия и анализе амплитудно-временной информа­ции. Ход теплового процесса определяется теплофизиче­скими и одновременно электромагнитными параметрами объекта, что позволяет в одном эксперименте проводить исследования как тепловыми, так и вихретоковыми ме­тодами. В частности, коэффициент температуропровод­ности чувствителен к химическому составу, тепловому старению, термообработке, размерам зерна сплавов. С помощью метода ВТТ возможна также (при фиксиро­ванных прочих параметрах) тепловая толщинометрия ферромагнитных и тонкостенных изделий, изделий с грубой поверхностью и др.

Возможен одно- и двухсторонний контроль изде­лий. Ввод энергии в объект возможен в контактном и бесконтактном вариантах. Нагрев изделия целесообразно регистрировать с помощью бесконтактного пирометри­ческого датчика.

Характерные значения параметров приборов, реали­зующих метод ВТТ: рабочая частота 30... 100 кГц, вре­мя нагрева 1... 3 с, вводимая от индуктора мощность 100... 150 Вт, диапазон контролируемых толщин 0,2...2мм, радиус индуктора 10 мм, чувствительность пиро­метра на базе пироэлектрического детектора 0,05...0,1 К.

Радиотепловой метод

В процессе ТНК необходимо регистрировать объ­емное распределение температуры в объектах. Одним из методов измерения температуры приповерхностных и глубинных слоев изделий из диэлектриков, прозрачных в радиодиапазоне (диапазон длин волн от 1 до 100...150 мм), может быть СВЧ термометрии (СВЧТ).

Большинство материалов непрозрачны в ИК-диапазоне спектра, но хорошо пропускают СВЧ излучение. Глубина проникновения erq сильно зависит от длины волны и химического состава вещества. Для длин волн l» 100 мм она составляет до 200 мм и более (например, для биологических объектов), для волн с l = 1 мм - по­рядка 0,5... 2 мм. С ростом длины волны разрешающая способность падает.

Созданы средства локальной СВЧТ и системы радиотепловидения. Следует отметить малую интенсив­ность потока теплового излучения от слабонагретых объектов в СВЧ диапазоне. Например, при T= 30 °С из­лучение с длиной волны l = 10 см в 10⁸ раз слабее, чем излучение с l = lmax =10 мкм. Это требует применения сверхчувствительных детекторов (обычно сверхпрово­дящих болометров, охлаждаемых до гелиевых темпера­тур) с чувствительностью порядка 0,01... 0,65 К. Кроме того, в СВЧТ велико время накопления сигнала (t ≥ 10 с и более). СВЧТ реализуется в контактном и бесконтакт­ном вариантах. Контактная СВЧТ реализуется с помо­щью антенны-зонда, например рупорного типа, которая накладывается на объект. При этом возможен как диф­ференциальный, так и абсолютный методы измерения. Бесконтактная СВЧТ реализуется в основном в диапазо­не длин волн 1... 10 мм. Радиотепловое излучение объ­ектов фокусируется на приемник с помощью радиооптических систем

Метод СВЧТ находится в стадии интенсивного раз­вития и уже сегодня используется в медицинских иссле­дованиях.

Фазовая термография

При сканировании объекта сфокусированным ла­зерным пучком, перемещение которого синхронизированно с разверткой ИК-камеры тепловизора, можно ре­гистрировать фазовые термограммы, т.е. зависимость от времени изменения температуры в каждой точке термо­граммы. Метод позволяет существенно снизить влияние неоднородности излучательной способности поверхно­сти объекта. Особенно эффективен он для контроля тон­ких пленок, различных покрытий и т.п. объектов. При­менение техники синхронного детектирования позволяет дополнительно повысить чувствительность контроля.

Обычно используются быстродействующие тепло­визоры, например, типа «Инфраметрикс», Р = 660 (спек­тральный диапазон чувствительности 8... 12 мкм, часто­та кадров до 60 Гц, число элементов растра 512 х 512 х 16 бит) в сочетании с быстродействующими процессо­рами, буферными ОЗУ и ПЭВМ.

В качестве греющего лазера используют С0₂ (l= 10,6 мкм), Со (l = 5 мкм), аргоновые лазеры и т.п.

Излучение лазера обычно модулируется акустооптическим модулятором и на обратном ходе развертки блокируется. Расстояние (временная задержка) между греющим лучом и соответствующим мгновенным углом зрения ИК-камеры может регулироваться.

Теплоголографический ТНК композитов

Контроль тонкостенных оболочек из полимерных композиционных материалов, прочность которых суще­ственно зависит от дефектов типа воздушных расслое­ний, «слипнутых» отслоений и т.д., эффективен с помо­щью комбинированного теплоголографического метода.

Он заключается в нагреве (тепловом нагружении) изделия и совместной регистрации термограмм и голографических интерферограмм нагретой поверхности. При этом обнаружение дефектов производится по нали­чию аномалий интерференционных полос, а их протя­женность и глубина залегания на основании анализа термограмм контролируемой зоны изделия при его на­греве галогенными лампами. Оператор с помощью голографического интерферометра с термопластической сис­темой записи изображений и телевизионной системой практически в реальном масштабе времени наблюдает интерферограмму. В случае обнаружения аномалий (де­фектных участков) на интерферограмме дальнейшая об­работка дефектоскопической информации производится с помощью программного анализа термограмм, записан­ных в памяти ПЭВМ. Дефектоскопические процедуры реализуются на основе физико-математической модели процесса контроля (двухмерная обратная задача неста­ционарной теплопроводности).

Фототермоакустические методы.ТНК

В методе фототермоакустики лазерное (в общем случае оптическое) излучение проходит через оптиче­скую систему и попадает на поверхность исследуемого образца, в котором под воздействием излучения возни­кают температурные и акустические поля, по которым можно судить о структуре и параметрах изделия.

Поглощение лазерного импульса приводит к неста­ционарному повышению температуры поверхностного слоя как поглощающей, так и (за счет теплопроводности) прозрачной среды. При этом происходит возбуждение акустических волн как в прозрачной, так и в поглощаю­щей среде.

Все тепловые методы фототермоакустики позволя­ют работать с порошками: светорассеивающими, радио­активными, нагретыми до высокой температуры средами и т.д. Для измерения температуры приповерхностного слоя используют термопары, термисторы, пироэлектри­ческие пленки, а также ИК-радиометры (бесконтактные методы). Контактные методы применимы только для хорошо теплопроводящих сред и при весьма низких час­тотах модуляции.

К тепловым методам относятся также способы ре­гистрации оптико-акустического сигнала по зависимости показателя преломления сред от температуры.

В методе тепловой линзы с использованием проб­ного луча пробный луч подфокусируется или дефокусируется тепловой линзой, появление которой вызвано не­однородным нагревом среды основным лучом.

Метод тепловой линзы наиболее удобен для иссле­дования прозрачных сред и позволяет измерять коэффи­циенты поглощения вплоть до 10^-7... 10^-8 см^-1. Он может применяться как непосредственно, так и косвенно, для определения распределения температуры, коэффициен­тов температуропроводности, скоростей потока газов и тому подобного. При ортогональном расположении ос­новного и пробного лучей отклонение луча тепловой линзой часто называют «эффектом миража».

Частотный диапазон этого метода ограничен в ос­новном шумами источника пробного излучения и фото­приемника, а также (при косвенной регистрации) диа­метром луча. Диагностика по этому методу сопряжена с трудностями разделения температурного и акустическо­го полей. Тем не менее этот метод широко распростра­нен, в частности, в оптотермической микроскопии. Из­менения показателя преломления можно определить также интерферометрическими, гетеродинными и дру­гими подобными методами.

Непосредственно к тепловым методам примыкает метод «фотодефлекционной спектроскопии», суть кото­рого в рассеянии пробного излучения на деформациях поверхности поглощающей среды, вызванных неодно­родным лазерным нагревом. Обычно стараются сфоку­сировать пробное излучение на склон «выпучивания» в область наибольшего наклона поверхности для получе­ния максимального сигнала.

От изменения температуры поверхности зависят не только показатель преломления, что используется в фоторефрактивных методах, но и коэффициенты поглоще­ния и рассеяния света.

Дата добавления: 2015-09-06