|
Читайте также: |
42. Фильтровые приборы. Виды фильтров.
Светофильтрами, или просто фильтрами, называются оптические элементы, изменяющие
спектральный состав излучения, не изменяя формы фронта световой волны, падающей на фильтр.
Основная характеристика светофильтра – его пропускание Tλ=Фλ/Ф0, где Ф0 – падающий на
фильтр световой поток и Фλ – прошедший через фильтр поток. Наряду с пропусканием фильтр
часто характеризуют его оптической плотностью, определяемой как
.
lg
l
l T
D = (2.12)
Фильтры называют нейтральными, или серыми, если их оптическая плотность не зависит от
длины волны, т. е. постоянна по всему спектру. Фильтры с широкой полосой пропускания
называются широкополосными. Фильтры с узкой полосой называют монохроматическими.
Фильтры, используемые в спектрофотометрах, можно разделить на абсорбционные,
отражающие, дисперсионные, интерференционные и интерференционно-поляризационные.
Абсорбционные фильтры представляют собой твердотельные, жидкостные и газовые среды,
поглощающие электромагнитное излучение в определенных областях. Для таких фильтров
пропускание зависит от коэффициента поглощения материала фильтра K λ и от коэффициента
отражения света поверхностями фильтра R λ.
() K l T R l
l l
- = 1- 10 2, (2.13)
где l – толщина поглощающего слоя фильтра. Твердотельные абсорбционные фильтры
изготавливают из стекла, из различных кристаллов. Жидкостные и газовые фильтры делают в виде
кювет, наполняемых растворами или газами, селективно пропускающими свет в той области
спектра, в которой должен работать спектральный прибор.
В отражающих фильтрах используется свойство большинства металлов селективно отражать
падающее электромагнитное излучение. Селективные отражающие фильтры могут быть получены
нанесением на подложку чередующихся тонких слоев с высоким и низким показателем
преломления. Оптическая толщина каждого слоя выбирается равной λ/4. Отраженные от границ
раздела слоев пучки света оказываются синфазными, что приводит к значительному повышению
коэффициента отражения таких зеркал для определенной длины волны.
Дисперсионные фильтры основаны на дисперсии света – зависимости показателя
преломления от длины волны. Одна из конструкций такого типа является кюветой, наполненной
порошком из прозрачного материала. В кювету заливается жидкость, подобранная так, чтобы для
определенной длины волны показатели преломления жидкости и порошка совпадали. Тогда
кювета оптически однородна для лучей этой длины волны, но рассеивает излучение других длин
волн. Такие фильтры могут изменять длину волны максимума пропускания. Это достигается
изменением показателя преломления жидкости либо добавлением другой компоненты, либо
изменением температуры.
Интерференционные фильтры принципиально схожи с отражательными многослойными
фильтрами, т. е. представляют собой набор отражающих и прозрачных покрытий, нанесенных на
прозрачную подложку. Фильтр, предназначенный для выделения какой-либо полосы пропускания,
должен иметь оптические толщины слоев, кратные целому числу полуволн, т. е.
;...
;
l l n l
D = D = D =,
где n – целое число. Очевидно, что изготовив такое покрытие фильтр будет пропускать не
только излучение данной длины волны, но и длины волн, кратные ей, т. е. 2λ; 3λ... и n λ. Для того
чтобы излучения высших порядков не накладывалось на излучение первого порядка,
интерференционные слои наносят на какое-либо стекло, поглощающее высшие порядки.
Интерференционные фильтры изготавливают, работающими как на пропускание, так и на
отражение.
Если в фильтре интерференция происходит в поляризованных лучах света, то такие фильтры
позволяют выделять очень узкие спектральные интервалы, ширина которых доходит до сотых
долей нанометра. Интерференционно - поляризационные фильтры очень удобны в использовании,
поскольку позволяет получать высокую степень монохроматизации при большой светосиле
прибора. Однако интерференционно - поляризационные фильтры очень сложны в изготовлении и,
соответственно, дороги. Тем не менее, для ряда специальных задач, когда требуется реализовать в
приборе высокое спектральное разрешение с высокой светосилой и при этом обеспечить
небольшие габариты и вес прибора, использование интерференционно - поляризационных
фильтров оказываются самым предпочтительным способом решения проблемы
43. Фотоколометрические методы контроля.
Фотоколориметрические жидкостные и ленточные газоанализаторы применяют для
определения микроконцентраций газов, вступающих в цветную реакцию со специально
подобранным реактивом. Колориметрический метод позволяет определять концентрацию
компонента анализируемой смеси по интенсивности окраски вещества, получаемого в результате
химической реакции анализируемого компонента со специально подобранным реагентом.
Физической основой служит закон Бугера-Ламберта-Бера. Концентрация окрашенных
компонентов (или масса прореагировавшего газа) C D /(l) l l = e, где l D – оптическая плотность;
l e – коэффициент поглощения; l – длина кюветы.
В автоматических приборах используют дифференциальные схемы, обычно с двумя
фоторезисторами или фотоэлементами. Газоанализаторы, в которых концентрацию растворенного
вещества определяют по интенсивности окраски, могут быть выполнены с периодической и
непрерывной подачей раствора и газа. Более эффективна периодическая подача абсорбента и газа
равными порциями через равные промежутки времени.
Фотоколориметрический метод анализа обладает высокой чувствительностью и
избирательностью. Высокая чувствительность метода объясняется возможностью накапливания
анализируемого компонента в растворе или на индикаторной ленте. Высокая избирательность
метода определяется специфичностью химической реакции между анализируемым компонентом и
реактивом (индикатором). Благодаря указанным преимуществам фотоколориметрический метод
широко применяют для анализа чистоты воздуха производственных помещений.
На рис. 2.30 приведена схема фотоколориметрического газоанализатора с периодической
подачей раствора и газа. Датчик имеет два оптических канала: рабочий и сравнительный, в
которых установлены рабочая 4 и сравнительная 12 кюветы. Абсорбирующий раствор из бака 15
прокачивается насосом через сравнительную кювету в дозатор 6. Дозатор снабжен переливной
трубкой 7, по которой излишки раствора сливаются обратно в бак. Через равные промежутки
времени, устанавливаемые контроллером, срабатывает электромагнитный клапан 3, выпускающий
отработанный раствор из кюветы 4 в бак, где раствор регенерируется. После опорожнения кюветы
срабатывают клапаны 5 и 8, которыми дозатор отключается от подающей раствор трубы и одно-
временно соединяется с кюветой 4, подавая в нее отмеренный объем раствора. Затем клапаны 5 к 8
возвращаются в начальное положение для наполнения дозатора новым раствором. В кювете 4, где
через поданную порцию раствора барботирует исследуемый газ, происходит цветная реакция.
После выдержки в течение определенного времени командное реле открывает клапан 3 и
начинается следующий цикл. Через обе кюветы проходит световой поток от осветительной лампы
2 через линзы 1. За кюветами расположены фотоэлементы 9 и 14, воспринимающие световые
потоки после прохождения их через раствор в кюветах. Фотоэлементы дифференциально
включены на вход электронного усилителя 10, усиливающего разностный сигнал двух
фотоэлементов.
Рисунок 2.30. Схема фотоколориметрического газоанализатора с периодической подачей
раствора и газа
Усиленный сигнал поступает на управляющую обмотку реверсивного двигателя 11,
перемещающего в нужном направлении компенсирующий оптический клин 13 в оптическом
канале кюветы 12 до тех пор, пока оба фотоэлемента не получат одинаковую освещенность.
Величина перемещения оптического клина и связанного с ним указателя прибора является мерой
концентрации определяемого компонента в исследуемом газе.
В фотоколориметрических газоанализаторах с непрерывной подачей потоки газа и раствора
взаимодействуют в проточном абсорбере, а разность оптических плотностей раствора в рабочей и
сравнительной кюветах измеряется также компенсационным методом с оптической компенсацией.
Газоанализаторы с непрерывной подачей раствора и газа при одинаковом с периодическим
способом подачи запаздывании имеют меньшую чувствительность.
Для ленточных фотоколометрических газоанализаторов характерен весьма малый расход
рабочего раствора и связанная с этим легкость достижения высокой чувствительности, так как
отношение реагирующих количеств газа и раствора может быть очень большим. Однако из-за
неоднородности поверхности ленты и некоторых других факторов погрешность ленточных
фотоколометрических газоанализаторов выше погрешностей жидкостных фотоколометрических
газоанализаторов.
На рис. 2.31 дана измерительная схема универсального ленточного газоанализатора. Действие
газоанализатора основано на сравнении светового потока, отраженного от окрашенного в
результате химической реакции пятна на ленте, с эталонным световым потоком.
Рисунок 2.31. Измерительная схема ленточного фотоколориметрического газоанализатора
При выявлении возможности применения газоанализатора для различных газов
определяющим является подбор индикаторного раствора, вызывающего цветную реакцию при
взаимодействии с анализируемым компонентом. Рабочий фотоэлемент 1 освещается световым
потоком, отраженным от пятна на ленте, а сравнительный фотоэлемент 4 освещается лампой на-
каливания 2. Световые потоки уравниваются диафрагмой 3, установленной в сравнительном
световом канале. Фотоэлементы подключены к сеткам лампы катодного повторителя 5. При от-
сутствии в смеси газа определяемого компонента световые потоки равны; равны и силы токов
фотоэлементов. Сетки лампы катодного повторителя находятся в одинаковых условиях;
напряжение на входе электронного усилителя 6 равно нулю. При окраске ленты (наличие
определенного компонента в газовой смеси) равновесие фотоэлектрической схемы нарушается; на
входе электронного усилителя возникает напряжение, которое после усиления подается на
реверсивный двигатель 7. Двигатель перемещает движок реохорда до момента восстановления
равновесия.
Специальный программный механизм автоматически наносит индикаторный состав на ленту,
перемещает ее, подает анализируемый газ и включает измерительную схему. В приборе преду-
смотрена возможность регулирования продолжительности цикла работы в зависимости от
скорости реакции на ленте.
Фотоколометрические газоанализаторы предназначены для измерения микроконцентраций
различных газов (H2S, SO2, NH3, C12, NO, NO2 и т. п.), вступающих в цветную реакцию с рас-
твором.
Другие газоанализаторы подобного типа циклического действия в качестве первичного
измерительного преобразователя используют индикаторный порошок. Как правило, эти приборы
предназначены для автоматического определения микроконцентраций токсичных газов в воздухе
производственных помещений.
Работа датчика порошкового фотоколориметрического газоанализатора типа «Сирена» (рис.
2.32) заключается в том, что от привода 15 через поводковую муфту 14 подается вращение на
распределительный механизм, который состоит из цилиндрической передачи, образованной
шестерней 12 и колесом 13.
Рисунок 2.32. Конструктивная схема датчика порошкового фотоколориметрического
газоанализатора
На валу колеса установлен кулачок 11, который через рычаг 10 осуществляет циклическое
сжатие и растяжение побудителя расхода (сильфона) 17. Ограничитель 16 позволяет регулировать
растяжение и сжатие побудителя расхода (сильфона) на строго определенный объем
анализируемого воздуха. Дополнительно на валу колеса расположен поводок 9 с магнитом,
входящий в зацепление с планкой 7 порошковой камеры 1. Непрерывное вращение колеса
преобразуется в периодическое вращение чашки 3 порошковой камеры. При вращении чашки
происходит захват ею порции индикаторного порошка 2 и установление ее под фотоблоком 5. В
это время происходит сжатие сильфона 17. После расцепления поводка с планкой происходит
срабатывание герконового переключателя 8, формирующего команду "Установка" для устройства
управления, которое в течении времени подачи команды устанавливает заданную величину
освещенности фотоприемника 6 в фотоблоке путем изменения тока через осветитель 4. Далее
происходит растяжение сильфона, что обуславливает продув определенного объема
анализируемого воздуха над поверхностью индикаторного порошка. По окончании продува
происходит замыкание герконового переключателя 8, который формирует команду «Измерение».
По этой команде устройство управления производит отслеживание и запоминание относительного
изменения проводимости фотоприемника вследствие уменьшения его освещенности и выдачу во
внешнюю цепь пропорционального этому изменению сигнала (0-5) мА. Далее происходит выброс
предыдущей порции порошка, перемешивание ее с общей массой, захват новой порции порошка и
подача ее под отверстие порошковой камеры
44. Турбидиметры и нефелометры.
При прохождении через дисперсную систему, содержащую взвесь твердых частиц в
растворителе, луч света рассеивается, причем зависимость интенсивности I светового пучка,
прошедшего в системе расстояние от первоначальной интенсивности I 0, имеет вид
I I l -e = ×10 0,
где e – показатель рассеяния.
Это выражение по форме совпадает с законом Ламберта – Бера, определяющим уменьшение
интенсивности светового пучка, распространяющегося в поглощающей, но не рассеивающей
среде. Различие состоит в том, что вместо показателя поглощения использован показатель
рассеяния, который также во многих случаях зависит от длины волны проходящего света.
Если среда, через которую проходит луч света, не только рассеивает, но и поглощает, то
изменение интенсивности луча можно выразить зависимостью
n l I I ()
0 10 - +e = ×,
где (n + e ) – показатель ослабления.
Мутность дисперсных систем определяется действием различных факторов в зависимости от
соотношения размеров твердых частиц и длины световой волны. Если длина волны падающего
света значительно больше размера частиц, то возникает так называемый эффект Тиндаля,
заключающийся в дифракции световой волны, т. е. огибании частицы на ее пути. Если же длина
световой волны меньше линейных размеров взвешенных частиц, то рассеяние света мутной
средой объясняется как преломлением света на границе раздела твердой и жидкой фаз, так и
отражением света частицами.
В любом случае световая энергия рассеянных лучей зависит от числа частиц дисперсной
системы. Концентрацию взвешенного вещества можно определить с помощью двух родственных
приборов – нефелометров и турбидиметров.
Нефелометры – это приборы, принцип действия которых основан на измерении
интенсивности светового потока, рассеянного твердыми частицами. Турбидиметрами называют
приборы, основанные на измерении интенсивности светового потока, прошедшего через
дисперсную систему.
Таким образом, при нефелометрическом анализе измеряют интенсивность I p светового
потока, рассеянного в направлении, перпендикулярном направлению луча с интенсивностью I 0, а
при турбидиметрическом методе определяют интенсивность I светового потока, выходящего из
кюветы в направлении падающего луча. Оба метода наиболее эффективны при измерении малых
концентраций взвешенного вещества (порядка 0,1 кг/м3).
45. Классификация акустических методов контроля
Акустические методы НК подразделяют на две большие группы: активные и пассивные методы
(рис. 3). Активные методы основаны на излучении и приеме упругих волн, пассивные – только на
приеме волн, источником которых служит сам объект контроля (ОК), например образование тре-
щин сопровождается возникновением акустических колебаний, выявляемых акустико-эмиссионным
методом.
Активные методы делят на методы отражения, прохождения, комбинированные (использую-
щие как отражение, так и прохождение), собственных колебаний и импедансные.
Методы отражения основаны на анализе отражения импульсов упругих волн от неоднородно-
стей или границ ОК, методы прохождения – на влиянии параметров ОК на характеристики про-
шедших через него волн. Комбинированные методы используют влияние параметров ОК как на от-
ражение, так и на прохождение упругих волн. В методах собственных колебаний о свойствах ОК
судят по параметрам его свободных или вынужденных колебаний (их частотам и величине потерь).
В импедансных методах информативным параметром служит механический импеданс ОК в зоне
его контакта с преобразователем.
Пассивные методы НК классифицируют по характеру анализируемых сигналов.
Далее кратко описаны обозначенные на (см. рис. 3) методы контроля.
Рисунок 3. Классификация акустических методов НК
Методы отражения
В этой группе методов информацию получают по отражению акустических волн в ОК.
Эхометод основан на регистрации эхосигналов от дефектов – несплошностей.
Эх о з ер к ал ь н ый мет о д основан на анализе акустических импульсов, зеркально отраженных
Де л ь т а -м ет о д (рис. 5, в) основан на использовании дифракции волн на дефекте.
Ди ф р ак ц и о н н о - в р ем ен н о й мет о д (ДВМ) (рис. 5, д) основан на приеме волн, рассеянных
на концах дефекта, причем могут излучаться и приниматься как продольные, так и поперечные вол-
ны.
Методы прохождения
Амп л и т уд н ый м ет о д прохождения (или амплитудный теневой метод) (рис. 6, а)
Вр е мен н о й мет о д п р о х ожд ен и я (временной теневой метод, рис. 6, б)
Метод многократной тени аналогичен амплитудному методу прохождения (теневому),
Фо т о ак ус т и ч е ск а я ми к р о ск о п и я.
Вел о си мет р и ч е ск и й мет о д (рис. 6, в) основан на регистрации изменения скорости упругих волн в зоне дефекта
Т ер мо ак ус т и ч е ск и й м ет о д контроля называют также УЗ-локальной термографией.
Комбинированные методы
Эти методы содержат признаки, как методов отражения, так и методов прохождения.
З ер к ал ь н о -т ен е в о й (ЗТ) метод основан на измерении амплитуды донного сигнала.
Эх о т ен е в о й м ет о д основан на анализе как прошедших, так и отраженных волн (рис. 7, б).
Эхосквозной метод (рис. 7, в). Излучатель и приемник располагают по разные стороны от ОК.
Наблюдают сквозной сигнал I, сигнал II, двукратно отраженный в изделии, а в случае появления
полупрозрачного дефекта – также эхосквозные сигналы III и IV, соответствующие отражениям от
дефекта волн, идущих от верхней и нижней поверхностей ОК. Большой непрозрачный дефект обна-
руживают по исчезновению сигнала I, т.е. теневым методом, а также сигнала II, т.е. методом много-
кратной тени. Полупрозрачные или небольшие дефекты обнаруживают по появлению эхосквозных
сигналов III и IV.
Р ев ер б е р ац и о н н о - ск в о з н о й (акустико-ультразвуковой) метод сочетает признаки метода
.
Методы собственных колебаний
Различают интегральные и локальные методы. В и н т ег р ал ь н ых мет о д ах анализируют соб-
ственные частоты ОК как единого целого, в л о к ал ь н ых – отдельных его участков.
Ак ус т и к о-т о п о г р аф и ч е ск и й м ет о д имеет признаки как интегрального, так и локального
методов.
Импедансные методы
Эти методы основаны на анализе изменения механического импеданса или входного акустиче-
ского импеданса участка поверхности ОК, с которым взаимодействует преобразователь. Внутри
группы методы разделяют по типам возбуждаемых в ОК волн и по характеру взаимодействия пре-
образователя с ОК. В качестве примера на рис. 9 представлен импедансный метод с возбуждением
изгибных волн.
Рисунок 9. Импедансный метод
Генератор 1 возбуждает продольные гармонические колебания преобразователя (стержня) с
помощью излучателя 2. Эти колебания трансформируются в изгибные колебания ОК 3. Элемент 4 –
приемник, 5 – усилитель. Изменение режима колебаний фиксируется индикатором 6. Наличие де-
фекта (непроклея, непропая, расслоения) вблизи поверхности ОК 3 уменьшает модуль входного ме-
ханического импеданса ОК. Дефекты отмечают по изменению амплитуды и фазы выходного сигна-
ла. Применяют также импульсный вариант метода и способ, основанный на использовании про-
дольных волн.
Метод применяют для контроля дефектов соединений в многослойных конструкциях. Его ис-
пользуют также для измерения твердости и других физико-механических свойств материалов.
Пассивные методы контроля
Ак ус т и к о - э ми с си о н н ый мет о д основан на регистрации упругих волн, возникающих в ре-
зультате акустической эмиссии (АЭ). Это явление состоит в образовании акустических волн при
динамической внутренней локальной перестройке структуры материала ОК.
Ви б р ац и о н н о -д и аг н о ст и ч е ск и й м е т о д основан на измерении вибрации какого-либо узла
или детали ОК (ротора, подшипника и т.п.) с помощью приемников контактного типа.
Шумодиагностический метод состоит в анализе спектра шумов работающего механизма (ре-
дуктора, двигателя, станка) на слух или с помощью микрофонных и других приемников и приборов
– анализаторов спектра.
46. Теневой акустический метод.
Методы прохождения
Эти методы, в России чаще называемые теневыми, основаны на наблюдении изменения пара-
метров прошедшего через ОК акустического сигнала (сквозного сигнала). На начальном этапе раз-
вития использовали непрерывное излучение, а признаком дефекта было уменьшение амплитуды
сквозного сигнала, вызванное образуемой дефектом звуковой тенью. Поэтому термин "теневой"
адекватно отражал содержание метода. Однако в дальнейшем области применения рассматри-
ваемых методов расширились.
Методы начали применять для определения физико-механических свойств материалов, когда
контролируемые параметры (упругие постоянные, коэффициент затухания, плотность и т.п.) не свя-
заны с образующими звуковую тень нарушениями сплошности. При этом в большинстве случаев
непрерывное излучение было заменено импульсным. Расширено также число информативных па-
раметров сквозного сигнала, к которым кроме амплитуды добавились фаза, время прихода и спектр.
Таким образом, теневой метод можно рассматривать как частный случай более общего понятия
"метод прохождения". При контроле методами прохождения излучающий и приемный преобразова-
тели располагают по разные стороны от ОК или контролируемого его участка. В некоторых мето-
дах прохождения преобразователи размещают с одной стороны от ОК на определенном расстоянии
друг от друга. Информацию получают, измеряя параметры прошедшего от излучателя к приемнику
сквозного сигнала.
Амп л и т уд н ый м ет о д прохождения (или амплитудный теневой метод) (рис. 6, а) основан на
регистрации уменьшения амплитуды сквозного сигнала под влиянием дефекта, затрудняющего
прохождение сигнала и создающего звуковую тень. Для контроля этим методом можно использо-
вать тот же импульсный дефектоскоп, который включают по раздельной схеме, причем излучаю-
щий и приемный преобразователи располагают по разные стороны от ОК. Иногда применяют спе-
циализированные более простые по схеме приборы.
Вр е мен н о й мет о д п р о х ожд ен и я (временной теневой метод, рис. 6, б) основан на измере-
нии запаздывания импульса, вызванного огибанием дефекта. При этом в отличие от велосиметриче-
ского метода тип упругой волны (обычно продольной) не меняется. В этом методе информацион-
ным параметром служит время прихода сквозного сигнала. Метод эффективен при контроле мате-
риалов с большим рассеянием УЗ, например бетона, огнеупорного кирпича и т.п.
Рисунок 6. Методы прохождения
а – амплитудно-теневой; б – временной теневой; в – велосиметрический; 1– генератор; 2 – излуча-
тель; 3 – ОК; 4 – приемник; 5 – усилитель; 6 – измеритель амплитуды; 7 – измеритель времени при-
хода импульса; 8 – измеритель изменения фазы волны
Мет о д мн о г о к р ат н о й т ен и аналогичен амплитудному методу прохождения (теневому), но о
наличии дефекта судят при этом по амплитуде сквозного сигнала (теневого импульса), многократно
(обычно двукратно) прошедшего между параллельными поверхностями изделия. Метод более чув-
ствителен, чем теневой или зеркально-теневой, так как волны проходят через дефектную зону не-
сколько раз, но менее помехоустойчив.
Рассмотренные выше разновидности метода прохождения используют для обнаружения дефек-
тов типа нарушения сплошности. Методы прохождения, применяемые для контроля физико-
механических свойств материалов, не связанных с нарушениями сплошности, в свою очередь, де-
лятся на методы: сквозного прозвучивания, продольного профилирования и поверхностного про-
звучивания с постоянной базой.
47. Акустический метод отражения.
Методы отражения
В этой группе методов информацию получают по отражению акустических волн в ОК.
Эхометод основан на регистрации эхосигналов от дефектов – несплошностей. Он похож на ра-
дио- и гидролокацию. На рис. 4 показана упрощенная структурная схема импульсного эходефекто-
скопа.
Рисунок 4. Упрощенная схема эходефектоскопа
Генератор зондирующих импульсов 7 возбуждает короткие электрические импульсы. В преоб-
разователе 3 они преобразуются в импульсы ультразвуковых (УЗ) колебаний, которые распростра-
няются в ОК 4, отражаются от дефектов 6 и противоположной поверхности (дна) ОК, принимаются
тем же (совмещенная схема включения) или другим (раздельная схема включения) преобразовате-
лем 2. Преобразователь превращает сигналы из УЗ в электрические. От него сигнал поступает на
усилитель 1, а затем на экран 5 дефектоскопа.
Одновременно (а иногда спустя некоторый интервал времени) с запуском генератора импуль-
сов начинает работать генератор развертки 9. Правильную последовательность включения их, а
также других узлов дефектоскопа, не показанных на упрощенной схеме, обеспечивает синхро-
низатор 8.
Сигналы от генератора развертки вызывают горизонтальное отклонение светящейся точки на
экране, а от усилителя – вертикальное отклонение. В результате экран УЗ-эходефектоскопа отобра-
жает информацию двух видов. Горизонтальная линия (линия развертки дефектоскопа) соответству-
ет времени пробега импульса в ОК, а это время пропорционально пути импульса. Высота пиков
(импульсов) по вертикали пропорциональна амплитудам эхосигналов. Таким образом, по горизон-
тальной линии развертки определяют длину пути импульса, а по вертикальной шкале оценивают
его амплитуду. Такое изображение называют разверткой типа А (А-разверткой, А-сканом).
Очень высокий (для совмещенной схемы – уходящий за пределы экрана) сигнал, обозначенный
буквой 3, соответствует возбуждаемому генератором и посылаемому в изделие УЗ-импульсу. Он
отмечает нулевое значение шкалы времени. Его именуют зондирующим импульсом. Высокий сиг-
нал Д соответствует импульсу, отраженному от противоположной поверхности (дна) ОК. Его назы-
вают донным сигналом. Э – эхосигнал от дефекта. Он приходит раньше донного сигнала, и ам-
плитуда его обычно значительно меньше. Измеряя времена прихода сигналов по шкале на экране
или специальным устройством (глубиномером) прибора, можно определить расстояние до дефекта
или дна изделия и, таким образом, различить их. Амплитуда эхосигнала характеризует от-
ражательную способность дефекта.
Другие методы отражения применяют для поиска дефектов, плохо выявляемых эхометодом, и
для исследования параметров дефектов.
Эх о з ер к ал ь н ый мет о д основан на анализе акустических импульсов, зеркально отраженных
от донной поверхности ОК С и дефекта В, т. е. прошедшие путь ABCD (рис. 5, б). Вариант этого
метода, рассчитанный на выявление вертикальных дефектов, называют методом тандем. Для его
реализации при перемещении преобразователей 2 и 3 поддерживают постоянным значение
l l 2 H tg a, A D + = ×
где Н – толщина ОК. Тогда будут выявляться дефекты в сечении EF. Выявляются также нестрого
вертикальные дефекты. Для получения максимального (зеркального) отражения от невертикальных
дефектов значение l A + l D варьируют.
Рисунок 5. Методы отражения
а – эхо; б – эхозеркальный; в – дельта; г – ревербационный; д – дифракционно-временной;
1-ОК; 2 – излучатель; 3 – приемник
Другой вариант эхозеркального метода предусматривает перемещение преобразователей 2 и 3 в
разных плоскостях (см. рис. 5, б, в середине). Его иногда называют методом тандем-дуэт или
стредл. При этом сохраняется принцип зеркального отражения от вертикального дефекта и донной
поверхности. Применение метода тандем-дуэт целесообразно, например, в случаях, когда при кон-
троле методом тандем преобразователи 2 и 3 слишком сближаются и мешают друг другу.
Еще один вариант эхозеркального метода – с трансформацией типов волн на дефекте (Т–
тандем). Например, преобразователь 2 излучает поперечную волну под углом ввода a, большим 57°
(для стали). Угол падения на вертикальный дефект 90° – a будет меньше третьего критического,
поэтому произойдет частичная трансформация поперечной волны в продольную, направленную в
сторону дна ОК. Отраженную поперечную волну в дальнейшем не используют, а отраженная от де-
фекта продольная волна (показана штриховыми линиями) далее отразится от дна ОК и будет приня-
та другим преобразователем в точке G. При отражении от дна ОК также произойдет частичная
трансформация продольной волны в поперечную, но поперечную отраженную волну в дальнейшем
не используют. Для реализации этого варианта эхозеркального метода требуется меньшее расстоя-
ние от преобразователей до оси сварного шва.
Де л ь т а -м ет о д (рис. 5, в) основан на использовании дифракции волн на дефекте. Часть па-
дающей на дефект В поперечной волны от излучателя 2 рассеивается во все стороны на краях де-
фекта В, причем частично превращается в продольную волну. Часть этих волн принимается при-
емником 3 продольных волн, расположенным над дефектом, а часть отражается от донной поверх-
ности и также поступает на приемник. Варианты этого метода предполагают возможность переме-
щения приемника 3 по поверхности, изменения типов излучаемых и принимаемых волн.
Ди ф р ак ц и о н н о - в р ем ен н о й мет о д (ДВМ) (рис. 5, д) основан на приеме волн, рассеянных
на концах дефекта, причем могут излучаться и приниматься как продольные, так и поперечные вол-
ны. На рисунке представлен случай, когда излучаются поперечные волны, а принимаются продоль-
ные. Практическое применение, однако, получил вариант, при котором излучаются и принимаются
продольные волны, поскольку они первыми приходят на приемник и по этому признаку их легко
отличить от поперечных волн. Главная информационная характеристика – время прихода сигнала.
Этот метод также называют времяпролетным, буквально переводя английское название (time of
flight diffraction – TOFD).
48. Комбинированные методы акустического контроля.
Комбинированные методы
Эти методы содержат признаки, как методов отражения, так и методов прохождения.
З ер к ал ь н о -т ен е в о й (ЗТ) метод основан на измерении амплитуды донного сигнала. На рис. 7,
а отраженный луч показан смещенным в сторону. По технике выполнения (фиксируется эхосигнал)
– это метод отражения, а по физической сущности (измеряют ослабление дефектом сигнала, дваж-
ды прошедшего ОК) он близок к теневому методу, поэтому его относят не к методам прохождения,
а к комбинированным методам.
Рисунок 7. Комбинированные методы
ЗТ-метод часто применяют совместно с эхометодом. Наблюдают одновременно за появлением
эхосигналов и возможным ослаблением донного сигнала дефектами, которые не дают четких эхо-
сигналов и плохо выявляются эхометодом. Это может быть скопление очень мелких дефектов или
дефект, расположенный так, что отраженный от него сигнал уходит в сторону и не попадает на при-
емный преобразователь.
Эх о т ен е в о й м ет о д основан на анализе как прошедших, так и отраженных волн (рис. 7, б).
Эхосквозной метод (рис. 7, в). Излучатель и приемник располагают по разные стороны от ОК.
Наблюдают сквозной сигнал I, сигнал II, двукратно отраженный в изделии, а в случае появления
полупрозрачного дефекта – также эхосквозные сигналы III и IV, соответствующие отражениям от
дефекта волн, идущих от верхней и нижней поверхностей ОК. Большой непрозрачный дефект обна-
руживают по исчезновению сигнала I, т.е. теневым методом, а также сигнала II, т.е. методом много-
кратной тени. Полупрозрачные или небольшие дефекты обнаруживают по появлению эхосквозных
сигналов III и IV.
Р ев ер б е р ац и о н н о - ск в о з н о й (акустико-ультразвуковой) метод сочетает признаки метода
многократной тени и УЗ-реверберационного методов. На ОК небольшой толщины на некотором
расстоянии друг от друга устанавливают прямые излучающий и приемный преобразователи. Излу-
ченные импульсы продольных волн после многократных отражений от стенок ОК достигают при-
емника. Наличие в ОК неоднородностей меняет условия прохождения импульсов. Дефекты регист-
рируют по изменению амплитуды и спектра принятых сигналов. Метод применяют для контроля
изделий из ПКМ и соединений в многослойных конструкциях.__
49. Метод собственных частот при акустическом контроле.
Методы собственных колебаний
Эти методы основаны на возбуждении в ОК вынужденных или свободных колебаний и измере-
нии их параметров: собственных частот и величины потерь.
Свободные колебания возбуждают путем кратковременного воздействия на ОК (например, ме-
ханическим ударом), после чего он колеблется в отсутствии внешних воздействий.
Вынужденные колебания создают воздействием внешней силы с плавно изменяемой частотой
(иногда применяют длинные импульсы с переменной несущей частотой). Регистрируют резонанс-
ные частоты по увеличению амплитуды колебаний при совпадениях собственных частот ОК с час-
тотами возмущающей силы. Под влиянием возбуждающей системы в некоторых случаях собствен-
ные частоты ОК немного изменяются, поэтому резонансные частоты несколько отличаются от соб-
ственных. Параметры колебаний измеряют, не прекращая действия возбуждающей силы.
Различают интегральные и локальные методы. В и н т ег р ал ь н ых мет о д ах анализируют соб-
ственные частоты ОК как единого целого, в л о к ал ь н ых – отдельных его участков. Информатив-
ными параметрами служат значения частот, спектры собственных и вынужденных колебаний, а
также скорость затухания колебаний. Для возбуждения и приема УЗ-колебаний используют совме-
щенный (рис. 8, б) или раздельные (см. рис. 8, а) преобразователи.
Рисунок 8. Методы собственных колебаний:
а – локальный низкочастотный; б – локальный резонансный; 1 – генератор; 2 – вибратор;
3 – ОК; 4 – приемник; 5 – усилитель;
6 – спектроанализатор; 7 – модулятор частоты;
8 – излучатель-приемник, 9 – регистратор
резонансов
При совпадении частот возбуждения с собственными частотами ОК (нагруженного прие-
мопередающим преобразователем) в системе возникают резонансы. Изменение толщины вызовет
смещение резонансных частот, появление дефектов – исчезновение резонансов (если дефект на-
клонный к поверхности изделия) или изменение их частот (если дефект параллелен поверхности).
Этим методом можно проверять очень тонкие изделия, недоступные контролю эхометодом.
Ак ус т и к о-т о п о г р аф и ч е ск и й м ет о д имеет признаки как интегрального, так и локального
методов. Он основан на возбуждении в ОК интенсивных изгибных колебаний непрерывно меняю-
щейся частоты и регистрации распределения амплитуд упругих колебаний на поверхности контро-
лируемого объекта с помощью наносимого на поверхность мелкодисперсионного порошка. На де-
фектном участке оседает меньшее количество порошка, что объясняется увеличением амплитуды
его колебаний в результате резонансных явлений. Метод применяют для контроля соединений в
многослойных конструкциях: биметаллических листах, сотовых панелях и т.п.
50. Импедансный акустический метод контроля.
Импедансные методы
Эти методы основаны на анализе изменения механического импеданса или входного акустиче-
ского импеданса участка поверхности ОК, с которым взаимодействует преобразователь. Внутри
группы методы разделяют по типам возбуждаемых в ОК волн и по характеру взаимодействия пре-
образователя с ОК. В качестве примера на рис. 9 представлен импедансный метод с возбуждением
изгибных волн.
Рисунок 9. Импедансный метод
Генератор 1 возбуждает продольные гармонические колебания преобразователя (стержня) с
помощью излучателя 2. Эти колебания трансформируются в изгибные колебания ОК 3. Элемент 4 –
приемник, 5 – усилитель. Изменение режима колебаний фиксируется индикатором 6. Наличие де-
фекта (непроклея, непропая, расслоения) вблизи поверхности ОК 3 уменьшает модуль входного ме-
ханического импеданса ОК. Дефекты отмечают по изменению амплитуды и фазы выходного сигна-
ла. Применяют также импульсный вариант метода и способ, основанный на использовании про-
дольных волн.
Метод применяют для контроля дефектов соединений в многослойных конструкциях. Его ис-
пользуют также для измерения твердости и других физико-механических свойств материалов.
51. Пассивные акустические методы.
Ак ус т и к о - э ми с си о н н ый мет о д основан на регистрации упругих волн, возникающих в ре-
зультате акустической эмиссии (АЭ). Это явление состоит в образовании акустических волн при
динамической внутренней локальной перестройке структуры материала ОК. Акустические (обычно
УЗ) волны возникают в процессе появления и развития трещин в ОК 3 (рис. 10), а также при пере-
стройке кристаллической структуры его материала (например, при мартенситном превращении гам-
ма-железа в альфа-железо в процессе закалки), движении нарушений кристаллической структуры
(дислокаций).
Рисунок 10. Акустико-эмиссионный метод
При ударах, трении других тел о поверхность ОК также возникают упругие волны, но это не
волны АЭ, а помехи, так как они не связаны с внутренними процессами в материале.
Приборы для контроля акустико-эмиссионным методом обычно делают многоканальными.
Приемники 4 улавливают упругие волны. Сигналы проходят через усилители 2 (см. рис. 10) и по-
ступают в блок обработки информации 1, который помогает выделению сигналов от трещин на фо-
не помех и формирует изображение на экране участка ОК 3 с сигналами от развивающейся трещи-
ны.
Основное применение данного метода – наблюдение за возникновением и развитием трещин
при испытаниях или эксплуатации. Метод используют также для исследования процессов сварки,
механообработки, коррозии, механических испытаний образцов и т.д.
Ви б р ац и о н н о -д и аг н о ст и ч е ск и й м е т о д основан на измерении вибрации какого-либо узла
или детали ОК (ротора, подшипника и т.п.) с помощью приемников контактного типа.
Шумодиагностический метод состоит в анализе спектра шумов работающего механизма (ре-
дуктора, двигателя, станка) на слух или с помощью микрофонных и других приемников и приборов
– анализаторов спектра.
Подводя итоги краткого рассмотрения методов АК, можно сделать вывод, что по частотному
признаку все рассмотренные акустические методы делят на низко- и высокочастотные. К первым из
них относят методы, использующие колебания в звуковом и низкочастотном УЗ-диапазонах _1101 \'28при-
близительно до 100 кГц), ко вторым – методы, использующие колебания в высокочастотном УЗ-
диапазоне: обычно 0,5... 100 МГц.
Применение низко- и высокочастотных методов определяется в основном величиной затухания
упругих волн в материалах ОК. Низкочастотные методы служат для контроля ОК из материалов с
большим затуханием упругих волн: армированных и неармированных пластиков, бетона, древеси-
ны, а также многослойных клееных конструкций. Высокочастотные методы используют главным
образом для контроля ОК из материалов с малым затуханием упругих волн: металлов, фарфора, ке-
рамики, некоторых видов армированных и неармированных пластиков и т.п.
Из рассмотренных методов АК наибольшее практическое применение находит эхометод. Око-
ло 80 % объектов, контролируемых акустическими методами, проверяют эхометодом. С его помо-
щью решают задачи дефектоскопии поковок, литья, сварных соединений, многих неметаллов. Эхо-
метод служит для измерения толщины объектов при одностороннем доступе, оценки физико-
механических свойств материалов. Другие методы АК применяют для решения задач контроля, где
использование эхометода невозможно, нерационально, либо их применяют в качестве дополни-
тельных методов для получения более полной информации об ОК.
Дата добавления: 2015-11-16; просмотров: 99 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая страница | | | следующая страница ==> |
| Интерференционные спектральные приборы. | | | Радиационный метод контроля |