аог65го56. Методичка по ВИК 2021. Методическое пособие для сдачи общего экзамена Разработал Специалист iii уровня
 Скачать 3.66 Mb.
|
|
1 Аттестационный региональный центр специалистов неразрушающего контроля ООО «АРЦ НК» Визуальный и измерительный контроль Методическое пособие для сдачи общего экзамена Разработал: Специалист III уровня _________________Е.Н. Макаренко "___" ______________ 2021 г. Согласовал: Специалист III уровня _________________Н.П. Калиниченко "___" ______________ 2021 г. Томск 2021 2 Оглавление Часть 1. Физические основы визуального контроля ........... Ошибка! Закладка не определена. Геометрическая оптика .......................................................... Ошибка! Закладка не определена. Волновая оптика ..................................................................... Ошибка! Закладка не определена. Фотометрия. Светотехника .................................................... Ошибка! Закладка не определена. Глаз – природный оптический прибор ............................... Ошибка! Закладка не определена.2 Часть 2. Основы технических измерений ....................................................................................... 40 Метрология. ...................................................................................................................................... 40 Оборудование по ВИК ......................................................... Ошибка! Закладка не определена.5 Часть 3. Технология ВИК................................................................................................................. 65 Часть 4. Термины и определения основных понятий ................................................................... 82 3 Часть1. Физические основы визуального контроля. Электромагнитное излучение. Электромагнитное излучение - (электромагнитные волны) — распространяющееся в пространстве возмущение электромагнитного поля ( то есть, взаимодействие друг с другом электрического и магнитного полей). Эти волны порождаются атомами всех химических элементов. Электромагнитное излучение переносится посредством фотонов – частиц, которые являются минимальным количеством излучения. Фотоны несутся со скоростью света, эти частицы не имеют массы. Фотону, как частице, присуща некоторая энергия. С другой стороны, каждому фотону можно приписать длину волны или частоту соответствующего излучения. Н – напряженность магнитного поля; Е – напряженность электрического поля. рис. 1.1. рис. 1.2. 4 Визуальный контроль осуществляется в видимом спектре излучения: примерно от 380-400 нм (фиолетовый) до 760-780 нм (красный). Самый узкий участок электромагнитного излучения. За пределами видимого спектра излучения электромагнитное излучение не вызывает у человека зрительных ощущений или, другими словами, является для него невидимым. Также видимое излучение принято называть светом в узком смысле этого слова. Видимое излучение является частью оптического излучения. Оптическое излучение – электромагнитные волны, длины которых заключены в диапазоне с условными границами от 10 нм до 1 мм. Оптическое излучение включает зоны видимого света (380-780 нм), инфракрасного и ультрафиолетового излучений. Инфракрасное (ИК) излучение лежит в диапазоне – 760 нм – 1 мм. Ультрафиолетовое излучение (УФ) лежит в диапазоне – 10 нм – 400 нм. Оптическое излучение характеризуется частотой, фазой, амплитудой. О́птика — (оптика, наука о зрительных восприятиях) — раздел физики, рассматривающий явления, связанные с распространением электромагнитных волн видимого, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов спектра. Корпускулярно - волновая природа света (корпускулярно-волновой дуализм) Свет проявляет себя и как частица, и как волна. Каждое из этих доказанных явлений электромагнитного излучения описываются разными областями физики. Геометрическая оптика, волновая (физическая) оптика. Согласно корпускулярной теории, свет состоит из мельчайших частиц, или корпускул, испускаемых светящимися телами. Основываясь на опытном факте прямолинейного распространения света, Ньютон предположил, что свет испускается источником в виде мельчайших световых частиц - корпускул, летящих прямолинейно. Попадая на сетчатку глаза, они вызывают ощущение света. В основу построения изображения были положены четыре основных опытных закона: 1. Закон прямолинейного распространения света 2. Закон независимости световых пучков 3. Закон отражения 4. Закон преломления Геометрическая оптика Рассмотрим подробнее законы геометрической оптики: 1. Закон прямолинейного распространения света: свет в прозрачной однородной среде распространяется по прямым линиям. Одним из доказательств этого закона служат резкие тени, отбрасываемые непрозрачными предметами при освещении их точечными источниками света. Этот закон справедлив в том случае, если препятствия много меньше длины световой волны. Прямолинейность распространения света можно увидеть на многих примерах: распространение лучей света в лесном массиве, образование теней и полутеней (рис. 1.3б), солнечное затмение (рис. 1.3а.), частичное затмение Земли (при наблюдении с Луны) (рис. 1.3в.). 5 рис. 1.3в. рис. 1.3а. рис. 1.3б. 2. Закон независимости световых пучков (принцип суперпозиции): распространение всякого светового пучка в среде совершенно не зависит от того, есть ли в ней другие пучки света или нет. Это означает, что при пересечении пучков действие одного пучка не возмущает действия другого. Согласно принципу суперпозиции суммарная интенсивность двух пучков в этом случае равна сумме интенсивностей каждого пучка в отсутствие другого (рис. 1.4.). Нарушение этого закона приводит к явлению интерференции. Закон независимости световых лучей строго справедлив для вакуума. Для световых лучей в веществе закон независимости лучей выполняется точно при небольшой интенсивности света и нарушается при распространении в веществе света большой интенсивности, например, лазерного излучения. рис. 1.4. 3. Закон отражения. Условимся понимать под лучом конечный, но достаточно узкий световой пучок. Теперь сформулируем закон отражения. Луч падающий и луч отраженный лежат в одной плоскости с нормалью, восстановленной к границе раздела в точке падения (эта плоскость называется плоскостью падения), причем угол падения равен углу отражения (рис. 1.5.). 6 рис. 1.5. 4.Закон преломления. Был установлен экспериментально Снеллиусом. Согласно этому закону падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости, причем Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления γ есть величина, постоянная для двух данных сред, зависит только от длины световой волны, и не зависит от угла падения (1.1.). рис. 1.5. sin 𝛼 sin 𝛾 = 𝑛2 𝑛1 = 𝑛 21 (1.1.) Величина n 21 называется относительным показателем преломления второй среды по отношению к первой. Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления и обозначают обычно через n (n1 и n2 - абсолютные показатели преломления первой и второй сред). В вакууме скорость света равна c (300 000 км/с) и показатель преломления n = 1. Абсолютный показатель преломления среды зависит от скорости распространения света в вакууме и в среде, и не зависит от угла Вещество с большим абсолютным показателем преломления называют оптически более плотным. Закон преломления можно переписать в виде П1 П2 7 (1.2.) sin α = sinγ*n2/n1 Из (1.2) видно, что при переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную (n1 >n2 ), преломленный луч будет удаляться от нормали к поверхности и, наконец, при угле падения: (1.3.) преломленный луч не возникает вообще, так как γ=π/2, а sinγ=1. Таким образом, для углов падения α≥α 0 свет не проходит во вторую среду и полностью отражается. Это явление называется полным отражением, а угол α 0 - предельным углом полного отражения. Явление полного отражения света от поверхности среды рис. 1.7. Полное внутреннее отражение. Если свет распространяется из среды с большим показателем преломления 1 n (оптически более плотной) в среду с меньшим показателем преломления 2 n (оптически менее плотную), например, из стекла в воду, то, согласно (1) 2 1 1 2 sin 1 sin n n Отсюда следует, что преломленный луч удаляется от нормали 1 2 . С увеличением угла падения увеличивается угол преломления до тех пор, пока при некотором угле падения ( пр 1 ) угол преломления не окажется равным 2 . Угол пр называется предельным углом. При углах падения пр 1 весь падающий свет полностью отражается (рис. 1.7.). Таким образом, при углах падения от пр до 2 луч полностью отражается в первую среду, причем интенсивности отраженного и падающего лучей одинаковы. Это явление называется полным внутренним отражением. Предельный угол, очевидно, удовлетворяет условию 8 пр 2 1 21 sin n n n В природе примерами полного отражения являются различные миражи. Они возникают в результате отражения на границе слоев воздуха с различной температурой. Кроме того, полное отражение света объясняет и яркий блеск драгоценных камней, когда каждый входящий луч образует множество ярких исходящих лучей. рис. 1.8. Если, находясь под водой, посмотреть на поверхность под определенным углом, можно увидеть не то, что находится в воздухе, а зеркальное изображение предметов, находящихся под водой. Это еще один пример полного внутреннего отражения. Преломление света «приподнимает» планеты и звезды над горизонтом по сравнению с их истинным положением и является причиной миражей. Преломление света в атмосфере Земли приводит к тому, что мы наблюдаем восход Солнца несколько раньше, а закат несколько позже, чем это имело бы место при отсутствии атмосферы. По той же причине вблизи горизонта диск Солнца выглядит заметно сплющенным вдоль вертикали. Полное внутреннее отражение света. Эндоскопы рис. 1.9. Полное отражение используют в так называемой волоконной оптике для передачи света и изображения по пучкам прозрачных гибких волокон — световодов. Световод представляет собой стеклянное волокно цилиндрической формы, покрытое оболочкой из прозрачного материала с меньшим, чем у волокна, показателем преломления. За счет многократного полного отражения свет может быть направлен по любому (прямому или изогнутому) пути (рис. 1.9.). Волокна набираются в жгуты. При этом по каждому из волокон передается какой-нибудь элемент изображеня. 9 Волновая оптика. В основе электромагнитной теории света лежит представление о свете как об электромагнитных волнах, т.е. возмущениях электромагнитного поля, которые распространяются в веществе со скоростью Сущность волновой теории, впервые высказанной, хотя и в незаконченной форме, Гюйгенсом в XVII веке, состоит в предположении, что свет представляет собой особого рода колебания. Процесс распространения света состоит в том, что колебания эти, возникнув в какой-либо точке пространства, в свою очередь возбуждают колебания в смежных с нею точках и т.д. Ж.Френель поставил следующий опыт. Узкая щель (рис. 1.10.) освещалась солнечным светом. Световой поток, прошедший через нее, отражался от двух плоских зеркал, поставленных почти параллельно друг другу. Отраженный от них свет падал на экран Э, поверхность которого оказалась неравномерно освещенной. На ней был виден ряд темных и светлых полос. Освещение экрана становилось равномерным, если одно из зеркал было закрыто. рис. 1.10. Это явление необъяснимо с точки зрения корпускулярной (геометрической оптики) теории света. Если каждое из зеркал в отдельности отбрасывает к экрану известное число световых частиц, то совместное действие обоих зеркал может привести лишь к увеличению числа падающих на экран частиц, т.е. к увеличению яркости освещения экрана. Наблюдаемое на экране изменение яркости (интерференция света) могло быть объяснено тем, что мы имеем дело с волновыми процессами, поскольку только наложение двух волн может привести к усилению или ослаблению яркости освещения экрана Явление, при котором происходит пространственное перераспределение энергии светового излучения при наложении двух или нескольких световых волн, называется интерференцией. Явление интерференции универсально. Оно свойственно не только световым волнам, но и волнам любого другого типа, например, радиоволнам, акустическим волнам, волнам, возникающим на поверхности воды, при возмущении их с помощью синхронизированных вибраторов. Необходимым условием интерференции волн является их когерентность. 10 Интерференция — это такое сложение волн, при котором происходит не просто суммирование интенсивностей этих волн, а их взаимное усиление в одних точках пространства (принцип суперпозиции) и ослабление в других, в зависимости от разности фаз волн в этих точках. Для интерференции света необходима когерентность световых пучков. Что это такое когерентность? Слово «когерентность» — греческого происхождения и в наиболее общем смысле означает «согласованность». Простейший пример: когда по улице прогуливается толпа людей, она идёт некогерентно, а когда марширует рота солдат, то она идёт когерентно. Когерентные (согласованные) волны — это волны одинаковой частоты, между которыми сохраняется постоянная разность фаз (то есть они согласованы по фазе). При сложении двух когерентных волн одинаковой поляризации (с одним и тем же направлением колебаний напряженности электрического поля) амплитуда суммарной волны зависит от разности фаз складываемых волн — это и есть интерференция. В тех местах, куда волны приходят в одинаковой фазе, то есть «гребни» и «впадины» одной волны совпадают с «гребнями» и «впадинами» другой (∆φ =0 , cos ∆φ = 1), волны усиливают одна другую и наблюдается максимальная интенсивность света (I max). В тех местах, куда волны приходят в противофазе, «гребни» одной волны совпадают со «впадинами» другой ( ∆φ = 180о, cos ∆φ = — 1), волны гасят одна другую и результирующая интенсивность становится минимальной (Imin ). Таким образом, образуется интерференционная картина, состоящая из чередующихся светлых и тёмных участков. И называются кольцами Ньютона. Если в одну и тоже точку приходят две волны. Работает принцип суперпозиции, волны складываются. В природе не существует исключительно монохроматических волн. Излучение одной определенной и строго постоянной частоты ω=const называется монохроматическим, а волна - монохроматической. рис. 1.11. Для наглядного понимания интерференции света можно сделать несложный эксперимент. Взять обычный карманный фонарик, дающий яркий свет (светодиодный например, или галогенный) и направим его на белый экран. На экране возникнет пятно. Возьмем еще один такой же фонарик и также направим на экран в ту же точку. И пятно станет более ярким. Лучи сложатся. А теперь возьмем непрозрачный картон и проткнем в нем иголкой две дырочки, очень близко друг к другу (на расстоянии 0,5 мм). Поставим картонку перед экраном и направим на нее один источник света (фонарик). Регулируя расстояние от фонарика до картонки, мы найдем то положение, 11 при котором увидим, как белые пятна станут перекрываться темными кругами (т.е. вокруг каждого белого пятна возникнут темные круги). И в первом, и во втором случае было два источника света (в первом, два фонарика, во втором – две дырочки, источник света был один, но свет шел из двух дырочек. Это попытка воспроизвести опыт Юнга в 1802 году. У двух разных источников света никогда не сохраняется постоянная разность фаз волн, поэтому их лучи не интерферируют С интерференционными явлениями в жизни мы сталкиваемся довольно часто: цвета масляных пятен на асфальте, окраска замерзающих оконных стекол, причудливые цветные рисунки на крыльях некоторых бабочек и жуков – все это проявление интерференции света. То, что происходит в мыльном пузыре со светом, называется интерференцией в тонких плёнках. Луч падающий и луч отражённый от внутренней границы плёнки интерферируют, т.е. взаимодействуют, суммируются или не суммируются. А так как толщина плёнки мыльного пузыря постоянно изменяется, то постоянно изменяется его окраска. рис. 1.12. Применение интерференции. Явление интерференции применяется для улучшения качества оптических приборов (просветление оптики) и получения высокоотражающих покрытий. Прохождение света через каждую преломляющую поверхность линзы, например через границу стекло–воздух, сопровождается отражением – 4 % падающего потока (при показателе преломления стекла n = 1,5). Так как современные объективы содержат большое количество линз, то число отражений в них велико, а поэтому велики и потери светового потока. Таким образом, интенсивность прошедшего света ослабляется и светосила оптического прибора уменьшается. Кроме того, отражения от поверхностей линз приводят к возникновению бликов, что часто (например, в военной технике, или в другой ответственной технике) демаскирует положение прибора. Для устранения указанных недостатков осуществляют так называемое просветление оптики. Для этого на свободные поверхности линз или наносят тонкие пленки с показателем преломления, меньшим, чем у материала линзы или поверхность стекла обрабатывают реактивами, изменяющими величину показателя преломления. При отражении света от границ раздела воздух–пленка и пленка– стекло возникает интерференция когерентных лучей. Толщину пленки и показатели преломления стекла и пленки можно подобрать так, чтобы волны, отраженные от обеих поверхностей пленки, гасили друг друга. В результате интерференции наблюдается гашение отраженных лучей. Так как добиться одновременного гашения для всех длин волн невозможно, то это обычно делается для наиболее восприимчивой глазом «зеленой» длины волны – 0,55 мкм (550 нм). Поэтому объективы с просветленной оптикой имеют синеватокрасный оттенок. Интерференционные светофильтры. Многолучевую интерференцию можно осуществить в многослойной системе чередующихся пленок с разными показателями преломления (но одинаковой оптической толщиной, равной 4 0 ). При прохождении света возникает большое число отраженных интерферирующих лучей, которые при оптической толщине пленок 4 0 будут взаимно усиливаться, т.е. коэффициент отражения возрастает. Подобные отражатели применяются в лазерной технике, а также используются для создания интерференционных светофильтров. |