Конспект лекций по дисциплине введ-направ. Конспект лекций по дисциплине Введение в направление
 Скачать 11.02 Mb.
|
|
II. ВИЗУАЛЬНЫЙ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ На опасных производственных объектах визуальный и измерительный контроль регламентируется руководящим документом РД 03-606-03 [6]. Этот вид контроля отличается от других видов неразрушающего контроля границами спектральной области электромагнитного излучения, используемого для получения информации об объекте контроля. Видимое излучение, т.е. свет, - это излучение, которое может непосредственно вызывать зрительное ощущение. Визуальный контроль – это единственный вид неразрушающего контроля, который может быть выполнен без какого-либо оборудования с использованием простейших измерительных средств. В то же время визуальный контроль является таким же современным видом контроля, как радиационный и ультразвуковой. Основой визуального контроля являются законы оптики: II.1. Закон прямолинейного распространения света. В однородной среде свет распространяется прямолинейно. Это вытекает из того, что непрозрачные предметы при освещении их источниками света дают тени с резко очерченными границами. Закон прямолинейного распространения света является приближенным, так как при прохождении света через очень малые отверстия наблюдаются отклонения от прямолинейности. Чем меньше отверстие, тем больше отклонение. II.2. Закон независимости световых лучей. Независимость световых лучей заключается в том, что они при пересечении не возмущают друг друга, так как пересечение лучей не мешают каждому из них распространяться независимо друг от друга. Следует заметить, что независимость сохраняется в том случае, когда интенсивность света сравнительно невелика. При интенсивностях света, полученных лазером, независимость не наблюдается. II.3. Закон отражения. При прохождении света через границу двух прозрачных веществ падающий луч разделяется на два: отраженный и преломленный. Направления этих лучей определяются законами отражения и преломления. Закон отражения гласит, что отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью, восстановленной в точке падения. Угол падения равен углу отражения. II.4. Закон преломления. Закон преломления гласит: преломленный луч лежит в одной плоскости с нормалью, восстановленной в точке падения. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных веществ. Оба эти закона проиллюстрированы рисунком 2 и формулой (1):  Рисунок 2. Законы отражения и преломления света (1) где С1 и С2 – скорости света соответственно в первой и второй средах. Поскольку у первых двух частей равенства (1) знаменатели одинаковы (падающий и отраженный свет распространяется в одной и той же среде), то одинаковы и числители, откуда и следует равенство углов падения α и отражения β. Из равенства первой и третьей частей следует: (2) Законы отражения и преломления света были выведены в XVIII веке голландским физиком Вильдербрордом Снелем. В однородной среде свет распространяется прямолинейно, а в неоднородной среде световые лучи искривляются и тогда свет распространяется по такому пути, для прохождения которого ему требуется минимальное время, то есть свет распространяется по такому пути, оптическая длина которого минимальна – это принцип Ферма, из которого вытекают законы отражения и преломления. Какова же природа света? В конце XVII века почти одновременно возникли теории: Ньютон предложил теорию истечения, согласно которой свет представляет собой поток световых частиц (корпускул), летящих от светящегося тела по прямолинейным траекториям. Теория получила название корпускулярной. Гюйгенс выдвинул волновую теорию, которая рассматривала свет, как упругую волну, распространяющуюся в мировом эфире. Обе теории приводят к различной зависимости между абсолютным показателем преломления и скоростью света в веществе. Ньютон считал, что преломление света вызвано действием на световые корпускулы на границы двух сред сил, изменяющих нормальную составляющую скорости корпускул. Волновая же теория приводит к обратному соотношению. Около 100 лет главенствовала корпускулярная теория. Но в начале XIX века Френель на основе волновой теории объяснил многие оптические явления. В результате волновая теория получила всеобщее признание, а корпускулярная была забыта. В 1851 г. Фуко измерил скорость света в воде и еще раз доказал экспериментально справедливость волновой теории. Первоначально считалось, что свет представляет собой поперечную волну, распространяющуюся в упругой среде, называемой мировым эфиром. В 1864г. Максвелл создал электромагнитную теорию света, согласно которой свет – это электромагнитная волна с длиной от 0.4 до 0.75 мкм. В конце XIX века и в начале XX века ряд новых опытных фактов заставил вернуться к представлению об особых световых частицах – фотонах. Было установлено, что свет имеет двойственную природу, сочетая в себе, как волновые свойства, так и свойства, присущие световым частицам. В одних явлениях, как интерференция, дифракция, поляризация свет ведет себя, как волна, а в других, например, как фотоэффект – как поток световых частиц – фотонов (корпускул). Двойственная корпускулярно-волновая природа присуща не только свету, но и электромагнитным волнам и мельчайшим частицам – электронам, протонам, нейтронам и т.д. Электромагнитная волна несет c собой энергию. В белом свете глазом воспринимается весь интервал электромагнитных волн. Действие света на глаз, то есть световые ощущения, в сильной степени зависит от длины волны. Чувствительность среднего нормального глаза к излучению разной длины волны дается так называемой кривой видности. Человеческий глаз наиболее чувствителен к излучению с длиной волны 0.555 мкм. Функция видности для этой длины волна принята равной 1. При том же потоке энергии оцениваемая зрительно интенсивность света для других длин волн оказывается меньше. Для характеристики интенсивности света с учетом его способности вызывать зрительное ощущение введена величина, называемая световым потоком. Световой поток – это поток лучистой энергии, оцениваемый по зрительному ощущению. Единица измерения – Люмен (ЛН): 1 ЛН = 1 кд×рад. (3) где «кд» - кандела (единица силы излучения света, от английского «candle» - «свеча»); «рад» - единица измерения угла расхождения светового потока (радианы). Опытным путем установлено, что 1 люмену, образованному излучением с длиной волны =0.555мкм, соответствует поток энергии в 0.0016 Вт. А=0.0016 Вт\ЛН – механический эквивалент света. Степень освещенности некоторой поверхности падающим на нее световым потоком характеризуется величиной, называемой освещенностью. Единица освещенности – люкс (лк): 1лк=1ЛН\м Т.е. 1 люкс – это световой поток в 1 люмен, равномерно распределенный по поверхности в 1 м. Освещенность рабочего места при визуальном контроле – важная величина; она должна быть не менее 500 лк. А рабочую поверхность на стационарном рабочем месте целесообразно покрывать светлым пластиком, при этом наиболее благоприятными является полуотраженное освещение. При выборе освещенности на рабочем месте учитывают: наименьший размер дефекта, который требуется обнаружить, и контраст дефекта на поверхности объекта контроля. Расстояние наилучшего зрения для нормального невооруженного глаза от глаза до объекта контроля считается 250 мм. Основными элементами физической оптики также являются: Поляризация света, то есть упорядочение и ориентация векторов напряженности электрического и магнитного полей световой волны в плоскости, перпендикулярной световому пучку. Интерференция – сложение в пространстве двух или нескольких волн с одинаковыми периодами. Интерференция объясняется волновой природой света и используется для точного измерения длин и углов, для контроля качества обработанных поверхностей. Дифракция – совокупность явлений, наблюдаемых при распространении света в среде с резкими неоднородностями и связанных с отклонениями от законов геометрической оптики. Дифракция света объясняется волновой природой света и приводит к огибанию световыми волнами препятствий и проникновению света в область геометрической тени. Яркость – это отношение силы света к площади элемента. Размерность и единица яркости: кд/м. Кандела на квадратный метр равна яркости светящейся поверхности площадью 1 м при силе света 1 кд. Приборы, применяемые для сравнения источников света или световых потоков, называют фотометрами. Фотометры делят на визуальные и объективные. Визуальные фотометры основаны на способности глаза хорошо устанавливать равенство яркостей двух соприкасающихся поверхностей. Объективные методы фотометрии делятся на фотографические и электрические. Объективные фотометры позволяют измерять интенсивность излучения за пределами видимой части спектра. Для определения интенсивности ультрафиолетового излучения применяются фотопластинки и фотоэлементы, а для определения интенсивности инфракрасного излучения применяются болометры и термостолбики. Основным оптическим инструментом является глаз. Оптическая система глаза состоит из роговицы, жидкости передней камеры, хрусталика и стекловидного тела. Сила, или рефракция глаза зависит от величины радиусов кривизны преломляющих поверхностей, расстояний между ними, показателя преломления роговицы, хрусталика, водянистой влаги и стекловидного тела. Все эти величины для разных глаз имеют разные значения. Нормальная зрительная работоспособность глаза зависит от состояния светочувствительного и двигательного аппарата. Зрительное утомление может наступить при расстройстве функций одного или обоих аппаратов. Утомление двигательного аппарата глаза возникает вследствие необходимости часто переводить взгляд с одного предмета на другие, неодинаково удаленные, а также следить за движущимися объектами. При неудовлетворительном распределении яркости в освещенном пространстве и шуме в помещении возникает явление дискомфорта, которое проявляется как ощущение неудобства или напряженности. Так при яркости больше 1500 кд/м зрачок глаза максимально сужен и глаз быстро утомляется. При пониженном освещении зрачок расширяется и наступает быстрое утомление за счет изменения световой чувствительности зрительного анализатора. Эта способность называется адаптацией. Адаптация бывает световая и темновая. Способность глаза раздельно воспринимать близко расположенные друг к другу точки, линии или другие фигуры, называется разрешающей. Способность глаза замечать мелкие предметы и различать их форму называется остротой зрения. Способность глаза приспосабливаться к четкому видению различно удаленных объектов, называется аккомофецией. Источником оптического излучения называют устройство, предназначенное для превращения какого-либо вида энергии в оптическое излучение. По физической природе различают два вида оптических излучений: тепловое и люминесценцию. Тепловым называют оптическое излучение, возникающее при нагревании тел. Тепловыми излучателями являются все источники, свечение которых обусловлено нагреванием, например, электрические лампы накаливания. Люминесценцией называют спонтанное излучение, избыточное над тепловым излучением, если его длительность значительно превышает период колебаний электромагнитной волны соответствующего излучения. При люминесценции возможно более эффективное преобразование подводимой энергии в оптическое излучение, чем при тепловом возбуждении, так как люминесценция в принципе не требует нагрева тел. В источниках света используются следующие виды люминесценции: электролюминесценция (оптическое излучение атомов, ионов, молекул, жидких и твердых тел под действием ударов электронов (ионов), движущихся со скоростями, достаточными для возбуждения); фотолюминесценция (оптическое излучение, возникающее в результате поглощения телами оптического излучении). Электрический режим характеризуется мощностью лампы, рабочим напряжением на лампе, напряжением питания, током и родом тока. К основным геометрическим параметрам ламп относятся: габаритные и присоединительные размеры, высота светового центра, размеры излучающего тела. К конструктивным параметрам относятся: форма колбы, ее оптические свойства (прозрачность, матовость, зеркализованность и т.д.); расположение тела накала, конструкция ножки или ввода, тип цоколя, формы и размеры разрядной колбы и др. При оценке эффективности лампы наиболее важны: энергетический КПД в заданной области спектра; эффективный КПД лампы для соответствующего приемника излучения, эффективная отдача лампы. Основными показателями долговечности являются полный и полезный срок службы. Под полным сроком службы понимают продолжительность горения ламп от начала эксплуатации или испытания до момента полной утраты или работоспособности. Например, в лампах накаливания – из-за перегорания нити, в газоразрядных лампах – из-за потери способности зажигаться и т.д. Полезным сроком службы называют продолжительность горения ламп от начала эксплуатации или испытания до момента ухода за установленные пределы одного из параметров, определяющих целесообразность использования ламп одного типа. Например, из-за снижения потока или яркости для облучательных и осветительных ламп; или невозможности эксплуатации специальных газоразрядных ламп высокой яркости в светооптических приборах из-за нестабильности положения дуги и т.п. Важным показателем надежности является также вероятность безотказной работы ламп в течение заданного времени, которая часто регламентируется минимальной продолжительностью горения. Большинство современных источников света относятся к категории электрических. По принципу действия их можно разделить на две большие группы, которые вместе вырабатывают 98-99% всего светового потока. Это лампы накаливания и газоразрядные лампы. Главным недостатком осветительных ламп накаливания являются низкая световая отдача, составляющая 10-20 Лм/Вт при сроке службы 1000 ч. Газоразрядной лампой называют лампу, в которой оптическое излучение возникает в результате электрического разряда в газах, парах или их смесях. У современных осветителей газоразрядных ламп световая отдача в 5-20 раз превышает световую отдачу ламп накаливания, а срок службы составляет: 10000-20000ч. Наиболее массовыми газоразрядных ламп являются люминесцентные лампы, которые представляют собой разрядные источники света низкого давления, в которых ультрафиолетовое излучение ртутного разряда преобразуется люминофором в более длинноволновое излучение. Светоизлучающие диоды представляют собой микроминиатюрные полупроводниковые источники света, в которых излучение возникает на полупроводниковом переходе в результате рекомбинации электронов и «дырок». Используются полупроводниковые материалы высокой частоты. Светоизлучающие диоды работают от источника постоянного напряжения 1÷3 В при токах от 10 до 100мА. Сила света порядка 0.01÷0.02 кд. Мощность инфракрасного излучения составляет (5-7) мВт по 100мА. Лазеры представляют собой генераторы оптического излучения, обладающие совершенно уникальными свойствами: высокой когерентностью в пространстве и времени (когерентные волны – это волны одной частоты, колебания в которых отличаются постоянной разностью фаз; исключительно узкой направленностью (расходимость до 0.04); огромной концентрацией мощности (до 10 Вт/см в непрерывном режиме и до 10 Вт/см в импульсе); способностью фокусироваться в исключительно малые порядки. Принцип действия лазеров основан на использовании процесса вынужденного испускания фотона возбужденным атомом или молекулой под воздействием излучения, имеющего ту же частоту. Лазерное вещество может быть газообразным, жидким и твердым. Соответственно различают: 1) газовые; 2) жидкостные; 3) твердотелые и полупроводниковые лазеры. Световые приборы – это устройства, содержащие источник света и светотехническую аппаратуру. Световые приборы предназначены для освещения или световой сигнализации. Светотехническая аппаратура осветительных приборов (осветительная арматура) перераспределяет свет источника света в пространстве или преобразует его свойства (изменяет спектральный состав излучения или поляризует его). Световые приборы по основной светотехнической функции разделены на приборы для освещения – это осветительные приборы; и приборы для световой сигнализации – это светосигнальные приборы. Световые приборы могут совмещать эти функции. По характеру светораспределения все световые приборы подразделяются на светильники, прожекторы и проекторы. По условиям эксплуатации делятся на световые приборы для помещения, открытых пространств и экстремальных сред. Светильник – это световой прибор, перераспределяющий свет лампы или ламп; предназначен для освещения относительно близко расположенных объектов или для сигнализации на небольших расстояниях. Светильники общего назначения предназначены для общего освещения помещения и открытого пространства. Светильники местного освещения предназначены для освещения рабочих поверхностей. Светильники комбинированного освещения создают поочередно или одновременно как общее, так и местное освещение. Световые приборы могут быть стационарными, т.е. закрепленные на месте установки, и нестационарными, т.е. могут быть перемещены в другое место. Переносный световой прибор имеет индивидуальный источник питания или отключается при перемещении. Прожектор – световой прибор, перераспределяющий свет лампы внутри малых телесных углов и обеспечивающий концентрацию светового потока. |