Каневский. И. Н. Каневский Е. Н. Сальникова
 Скачать 3.53 Mb.
|
|
3.3. Приборы ВОК Для контроля близко расположенных деталей (находящихся на расстоянии не более 250 мм от глаз контролера) используют лупы и микроскопы различного типа. Лупы и микроскопы позволяют обнаруживать трещины различного происхождения, поверхностные коррозионные повреж- дения, забоины, открытые раковины, поры, надиры, риски и де- фекты лакокрасочных и гальванических покрытий. При анализе характера дефектов эти приборы позволяют отличать усталостные трещины от горячих, трещины – от рисок, заусенцев, сколов окис- ной пленки и т.д. Лупы и микроскопы, используемые при капиллярном и магнитопорошковом контроле, позволяют обнаруживать более мелкие, чем без применения оптических средств, трещины, непро- вары, волосовины, расслоения и другие дефекты. Обычно осмотр деталей проводят с помощью луп с фокус- ным расстоянием от 125 до 12,5 мм и увеличением от 2 до 20 х Микроскопы существенно снижают поле зрения и используются с увеличением от 8 до 40-50 х . Увеличение микроскопов, исполь- зуемых при осмотре деталей, несущественно превышает увеличе- ние луп. Но даже при одинаковом увеличении эффективность при- менения микроскопа выше лупы из-за хорошего качества изображения и большего рабочего расстояния. Так, при увеличении 20 х рабочее расстояние лупы 10 мм, а микроскопа МБС-2 – 64 мм при любом увеличении. Для контроля удалённых объектов используются теле- скопические приборы прямого зрения – телескопические лупы, зрительные трубы, бинокли. Такие приборы применяют для конт- роля деталей сложной формы (с глубокими выемками, отверс- тиями, пазами), а также деталей и силовых элементов конструкций, находящихся в пределах прямой видимости, но расположенных на расстоянии, превышающем расстояние наилучшего зрения. Обычно используется увеличение от 1 до 20-30 х . Если необходимо большое поле зрения, используются приборы, дающие уменьшенное изображение (от 0,5 до 1 х ). Простейший эндоскоп состоит из телескопической системы и плоского зеркала или призмы, размещаемой перед объективом и отклоняющей лучи на определённый угол. При наклоне зеркала (призмы) на угол б лучи света отклоняются на угол 2б. Эндоскопы с подвижным зеркалом позволяют производить практически пол- ный осмотр закрытых конструкций. Зеркало может быть разме- щено также в средней части прибора, между объективом и окуля- ром. Такие коленчатые приборы используют, когда каналы для ввода оптического прибора внутрь осматриваемой закрытой конст- рукции искривлены. Бинокли и телескопические лупы применяют для осмотра удаленных деталей механизмов и машин в полевых и цеховых условиях. Бинокли наиболее эффективны при осмотре объектов, находящихся в зоне прямой видимости на расстоянии более 3-5 м. Бинокли имеют устройство для изменения фокусировки, которое позволяет получать отчетливое изображение объектов, находя- щихся на различных расстояниях от контролера. Биноклями можно пользоваться при температуре от –40 до +45 о С. Некоторые бинокли применяют для осмотра деталей с относительно близкого расстояния (1-1,5м). В этом случае между объективом и окуляром бинокля вставляют промежуточные удлинительные кольца шириной 5-10 мм. 54 55 Для осмотра внутренних поверхностей сравнительно корот- ких полых деталей используются оптические трубки цитоскопов, бронхоскопов и т.п. Цитоскоп – тонкая трубка с оптической системой – имеет устройство, позволяющее изменять положение объектива и направление осмотра полостей диаметром более 8 мм и глубиной до 200 мм при увеличении 1,1-1,8 х Оптическая система, как правило, состоит из сменных окуля- ров, объективов и оборачивающих систем. Может быть предусмот- рена подсветка на конце трубки. Гибкие телескопические приборы включают в себя наборы стекловолокон. Основным элементом волоконной оптики является световод, представляющий собой сердечник из оптического стекла с высоким показателем преломления n c с оболочкой также из опти- ческого стекла, но с меньшим показателем преломления n n . Лучи света, падающие на один торец такого световода, благодаря пол- ному внутреннему отражению распространяются вдоль волокна до другого торца. Важным преимуществом волоконной оптики является возможность передачи световой энергии по криволиней- ным каналам, свободно ориентированным в пространстве. Предельно допускаемый радиус изгиба световода при прохожде- нии лучей без вытекания мод зависит от показателей преломления сердечника и оболочки. За единицу измерения радиуса изгиба световода условно принят радиус самого световода. Чем больше разница в показате- лях преломления сердечника n c и оболочки n n , тем меньше пре- дельно допустимый радиус изгиба световода. Одной из особенностей волоконной оптики является разло- жение изображения на элементарные площадки размером, равным диаметру световода (от единиц до десятков микрон), и передача их по отдельным световодам, изменяющим форму и положение в пространстве, на значительные расстояния (до сотен метров). Это расстояние зависит от светопропускания световодов, определяе- мого коэффициентом светопропускания τ Единичный световод передает только световую энергию, а для передачи изображения применяются жгуты из регулярно уложенных и склееных или спеченных световодов. В осветительных жгутах оптические волокна расположены беспорядочно; в жгутах для передачи информации волокна рас- полагаются идентично на обоих концах жгута. На выходном конце получается мозаичное изображение. Коэффициент светопропускания жгута длиной 1500-500 мм составляет для белого света 25-50%. Разрешающая способность жгута длиной около 1 м составляет 12-15 линий на 1 мм; коротких жгутов – около 20 линий на 1 мм. Диаметр волокон для жгутов обычно составляет 20-50 мкм, в ряде случаев 12 мкм; диаметр жгута обычно лежит в пределах от 5 до 40 мм. На рис. 3.1 представлена схема интроскопа с раздельными информационным и осветительным каналами [7]. Такая конструк- ция способствует расширению доступности в зоны ограниченных габаритов, однако усложняет пользование интроскопом необходи- мостью синхронного управления осветительным и информацион- ным жгутами. На схеме оптическое излучение создается источни- ком 1, передается по гибкому световоду 2, отражается от объекта 3 и воспринимается жгутом 4. Изображение считывается через окуляр наблюдателем 5 или отображается, например, на транспо- ранте 6. Рис. 3.1. Схема интроскопа с раздельными информационным и осветительным каналами: 1 – источник; 2 – световод; 3 – объект отражения; 4 – жгут; 5 – окуляр наблюдателя; 6 – транспорант 56 57 В оптико-электронных системах контроля глаз заменяет фотоэлемент. В общем случае оптико-электронная система состоит из устройства восприятия (сканер), устройства изображения, логической схемы анализа изображения и механизма разбраковки продукции. По принципу сканирования обзорно-поисковые устройства разделяются на устройства поэлементного, последова- тельно-зонального, параллельно-зонального и зонально-поэле- ментного сканирования. В первой из систем сканирование КО осуществляется в лю- бой последовательности по каждому элементу поля зрения. Возмо- жен полный просмотр контролируемого поля и воспроизведение полного изображения поля. В устройстве последовательно-зональ- ного сканирования сканирование носит не дискретный, а непре- рывный характер. К таким системам относятся, например, телеви- зионные системы. Устройство позволяет воспроизводить полное изображение сканируемого объекта. В устройствах параллельно- зонального сканирования сканирование осуществляется одно- временно с помощью двух взаимно перпендикулярных щелей; каж- дая щель имеет свой светочувствительный элемент и свой канал передачи информации; полное изображение сканируемого объекта не воспроизводится. Устройство зонально-поэлементного скани- рования работает в два этапа: сначала осуществляется сканирова- ние по зонам и выясняется, в какой зоне находится дефект, после этого выполняется поэлементное сканирование конкретной зоны. По принципу действия сканирующие устройства могут быть оптико-механические, оптико-электрические, полупроводниковые, фотоэлектронные вакуумные, волоконно-оптические. В оптико-механических системах используются подвижные сканирующие элементы отражательной и преломляющей оптики – зеркальные элементы различной формы, клинья, многогранные барабаны, линзы, призмы, совершающие вращательное, колеба- тельное или возвратно-поступательное движение. Наличие под- вижных механических систем, повышенная сложность и малая надежность при длительной эксплуатации являются недостатками этих устройств. Остальные системы просты, надежны и обеспечивают чет- кость изображения. Сканирование осуществляется по изменяю- щейся траектории электронным способом. Лазерные методы контроля. Принцип действия приборов лазерной оптической дефектоскопии основан на использовании различных эффектов взаимодействия электромагнитного излуче- ния с веществом. Приборы регистрируют изменения оптических характеристик объектов контроля. Лазерная дефектоскопия бази- руется на использовании основных свойств лазерного излучения – монохроматичности, когерентности и направленности. Принцип определения поверхностных дефектов с помощью лазерных дефектоскопов заключается в следующем. Поверхность, свободная от дефектов, дает определенную плотность распределе- ния рассеяния, причем вид этого рассеяния примерно одинаков для каждой точки поверхности. Дефекты поверхности изменяют вид распределения рассеяния излучения. Различные виды дефек- тов приводят к различному изменению плотности распределения пучка рассеянного излучения. Для определения поверхностных дефектов протяженных объектов применяют сканирование его поверхности лазерным лучом, изменение положения которого в пространстве может осуществляться, например, с помощью вращающихся или вибрирующих зеркал. В типовой схеме конт- роля протяженных объектов (лента бумаги, полимерная пленка, листы стального проката) с помощью зеркального барабана произ- водится сканирование изделия по строкам в направлении, перпен- дикулярном к его перемещению. Сканирование по длине изделия происходит за счет его собственного движения. Частота строчного сканирования определяется минимально обнаруживаемыми дефек- тами. Излучение лазера после отражения от объекта направляется оптической системой на фотоумножитель, преобразуется в электрический сигнал и поступает на блок электронной обработки сигнала [8]. Схему лазерного сканирующего микроскопа – зонда можно использовать для регистрации не отраженного от объекта излуче- ния лазера, а возбужденного им в полупроводнике фотоэлектричес- кого эффекта (фотоответ). На экране кинескопа в этом случае наб- 58 59 людают изображение отдельных точек, яркость которых про- порциональна величине фотоответов полупроводника на световое воздействие в соответствующих зонах. Такой метод перспективен для контроля интегральных схем. Физические основы голографических методов контроля. Голограмма получается в результате интерференции разделенного на две части монохроматического потока излучения лазера: рассеянного контролируемым объектом и прямого (опорного) пучка, попадающего на фотопластинку, минуя объект. При вос- становлении записанного на фотопластинке изображения голограмма подсвечивается опорным лучом. В результате возни- кают два видимых объемных изображения объекта. Принципиаль- ные схемы голографической записи и воспроизведения показаны на рис. 3.2. Голограмма регистрирует как амплитудную, так и фазовую информацию, содержащуюся в волновом фронте. При ее помощи можно рассматривать объект с различных точек зрения, фото- графировать изображения отдельных частей объекта. Голограммы позволяют проводить прямые измерения размеров объектов, находить координаты отдельных точек на поверхности, изучать его рельеф, форму и т.д. Голографическая интерференция служит для определения величин деформаций, вибраций, отклонений от эталона, соизмери- мых с длиной волны используемого лазера. Бесконтактность, высо- кая чувствительность, возможность обследования сравнительно больших поверхностей, дискретная или аналоговая регистрация быстрых или медленных процессов изменения состояния КО – характерные черты голографической интерферометрии. Принцип голографической интерферометрии состоит в следующем. После экспонирования и фотообработки голограмму устанавливают на место съемки, освещают лазерным пучком и наблюдают сквозь нее объект, получивший какие-либо деформа- ции. При этом объект наблюдается с возникающей на нем сетью интерферометрических полос. Такая картина возникает за счет интерференции фронтов световых волн, отраженных от объекта в момент наблюдения и восстановленных с голограммы опорным пучком. Интерферометрические полосы являются геометрическим местом точек равных перемещений. Часто метод голографической интерферометрии реализуется таким образом, что на одну и ту же пластинку двумя экспозициями записываются последовательно голограммы от объекта, находящегося в исходном и исследуемом состоянии. При этом суммарная экспозиция должна находиться в пределах линейного участка характеристической кривой фото- эмульсии [9]. Практическое применение голографических методов не- разрушающего контроля требует поддержание механической ста- бильности объекта контроля с высокой точностью во время экс- понирования голограммы, поэтому голографические установки должны иметь высокую степень виброзащиты. Для сокращения времени экспозиции целесообразно применение лазеров большой мощности. Регистрирующие среды, применяемые для фиксации голо- грамм, должны иметь высокую пространственную разрешающую способность (порядка 3000-4000 линий на 1мм). Данное требова- ние противоречит условию высокой энергетической чувствитель- ности фотоэмульсии, поэтому материалы, используемые в голо- графии, отличаются низкой светочувствительностью (порядка 0,01 Рис. 3.2. Схема записи (а) и воспроизведения (б) голографических изображений: 1 – лазер; 2 – микрообъектив; 3 – коллиматор; 4 – зеркало опорного луча; 5 – контролируемый объект; 5' и 5'' – мнимое и действительное изображение объекта; 6 – голограмма; 7 – лучи дифракции нулевого порядка 60 61 единиц светочувствительности по сравнению с 35-250 единицами, используемыми в обычной фотографии). В последнее время появились термопластичные материалы, чувствительные к излучению лазеров. Для них характерен тепло- вой механизм визуализации скрытого изображения, не требующий фотохимической обработки. Голограмма проявляется после прос- того нагрева термопластинки непосредственно на месте экспони- рования, что существенно повышает производительность конт- роля. Применение таких термопластиков требует использования лазеров большой мощности (порядка 1 Вт). Наблюдение голограмм может производиться визуально или с помощью телевизионных установок. Методы голографической интерферометрии позволяют давать количественную оценку параметров дефектов как в статике, так и в динамике с точностью до 0,1 мм. Голографические уста- новки применяют для контроля качества швов в процессе изго- товления крыльев самолета, тепловыделяющих элементов ядерных реакторов, многослойных печатных плат, интегральных схем и т.п. Вопросы для самопроверки 1. Назовите основные преимущества и недостатки методов ВОК. 2. Что понимается под видимостью объекта и от каких факто- ров она зависит? 3. Что такое острота зрения? Какие факторы влияют на остроту зрения? 4. От чего зависит разрешающая способность глаза? 5. Как классифицируются приборы ВОК? 6. Чем ограничивается минимальный размер дефекта, обна- руживаемого невооруженным глазом в качестве единичного? 7. Дефекты какого цвета выявляются в первую очередь? В последнюю очередь? 8. Назовите основные элементы оптико-электронных систем контроля. 9. От каких факторов зависит достоверность ВОК? 10. В чем заключается принцип определения дефектов с помо- щью лазерного дефектоскопа? 11. Какова область применения голографической интерферо- метрии? 12. С какой целью применяется виброзащита голографичес- ких установок? Какие системы виброзащиты вам известны? 13. Приведите примеры приборов ВОК, используемых в судо- строении. 62 63 4. КАПИЛЛЯРНЫЙ МЕТОД НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ (КНК) Этот метод пригоден только для выявления дефектов, прояв- ляющихся на поверхности контролируемого объекта. Он основан на проникновении специальной жидкости – пенетранта – в полости поверхностных и сквозных несплошностей объекта контроля, в извлечении пенетранта из дефектов с помощью проявляющего покрытия и фиксировании пенетранта. Глубина дефектов, обна- руживаемых КНК, должна значительно превышать их ширину. Если ширина поверхностного повреждения больше его глубины (риска, царапина), то оно легко заполняется пенетрантом и так же легко удаляется из повреждений. Такие дефекты, как правило, КНК не выявляются. КНК обычно используют для обнаружения дефектов, не видимых невооруженным глазом. Его абсолютную чувствитель- ность определяют средним раскрытием дефекта типа трещин дли- ной 3-5 мм, выявляемого с заданной вероятностью. Индикаторные рисунки, образующиеся при контроле, либо обладают способностью люминесцировать в ультрафиолетовых лучах, либо имеют окраску, вызываемую избирательным погло- щением (отражением) части падающих на них световых лучей. Линии индикаторного рисунка имеют ширину от 0,05 до 0,3 мм (на расстоянии наилучшего зрения это соответствует угловой ши- рине от 15'' до 1'30''), яркостный контраст 30-60% и более, а также высокий цветовой контраст. Это значительно выше соответствую- щих параметров поверхностных дефектов, обнаруживаемых визуально (угловой размер от 1' до 10'', яркостный контраст 0-5%, цветовой контраст отсутствует). При КНК ставятся следующие задачи: обнаружение дефекта, определение направления дефекта относительно конфигурации де- тали, определение размеров и формы дефекта. В процессе КНК осуществляется следующая маркировка дефектов: а – по количеству дефектов: А – одиночные дефекты, Б – мно- жественные дефекты, В – сплошные дефекты; б – по направлению дефектов: ∥ –дефекты, параллельные направлению изделия; ⊥ – дефекты, перпендикулярные направлению изделия; |