3.Застосування поперечних хвиль і їхня фізична суть.

Поперечні хвилі – це хвилі, коливання частинок яких проходить в площині, перпендикулярній до напрямку поширення хвилі:

Плоску поперечну хвилю вздовж осі x описує рівняння:

,

де U_y – амплітуда коливань вздовж осі x,

-- фаза,

-- кутова частота,

f – частота коливань,

k – хвильове число.

Тобто коливання напрямлені вздовж осі y, а хвиля біжить вздовж осі x.

Її ще називають хвилею зсуву, тому що для неї єдиним видом деформації є зсув.

Якщо поперечна хвиля поширюється в безмежному ізотопному середовищі, всі напрямки поперечних коливань рівноправні. Якщо є обмежуюча поверхня, наприклад поверхня середовища, під кутом до якої поширюється поперечна хвиля, або поверхня дефекту, на яку вона падає, то виникає питання про напрямок коливань в поперечній хвилі по відношенню до цієї поверхні. Хвилю, напрямок коливань в якій паралельний до обмежуючої поверхні, називають горизонтально поляризованою або SH-хвилею. Якщо коливання відбуваються в площині, перпендикулярній до розділюючої поверхні, то таку хвилю називають вертикально поляризованою або SV-хвилею. Хвилі цього типу частіше використовуються при контролі. Напрямок коливань у хвилі, перпендикулярно чи паралельно до поверхні, називають відповідно SV і SH-поляризацією.

Поперечну хвилю, як правило, збуджують шляхом трансформації повздовжньої хвилі, що падає із зовнішнього середовища і заломлюється на поверхні твердого тіла. SH-хвилю таким способом отримати неможливо, оскільки в падаючій повздовжній хвилі відсутня складова, перпендикулярна до площини падіння. Тому труднощі в збудженні цих хвиль і обмежують їх застосування. Ці хвилі збуджуються за допомогою електромагнітно-акустичних перетворювачів, а частіше – за допомогою пластини з кварцу Y-зрізу, приклеєною до поверхні виробу.

Дані хвилі широко застосовуються для контролю матеріалів. Вони найкраще виявляють дефекти при нормальному падінні на їх поверхню. Основне використання: дефектоскопія зварних з’єднань.

Часто поперечні хвилі застосовують для контролю виробів типу тонкостінних оболонок (листів, труб), оскільки при кутах заломлення більших 33° вони виходять з місця заломлення у вигляді єдиної хвилі і всередині оболонки вони відбиваються без спотворення моди хвилі і без розщеплення. Тому вони проходять великі відстані, якщо шорсткість поверхні залишається малою по відношенню до довжини хвилі, внаслідок чого не відбуваються втрати при відбитті і розсіянні.

4.Первинні перетворювачі оптичного випромінювання. Їхні характеристики, класифікація, принцип дії.

Відомо, що найбільш узагальнена схема неруйнуючого контролю містить щонайменше три основні частини: об’єкт контролю (ОК); фізичне поле або речовина, які діють на ОК; детектор взаємодії фізичному поля або речовини з ОК.

В нашому, більш конкретному, випадку - при контролі ЕМВ, зокрема ОВ (оптичним випроміненням), - цими основними складовими будуть: джерело ОВ; ОК; приймач ОВ.

Приймачі оптичного випромінювання призначені для перетворення енергії оптичного випромінювання в які небудь інші види енергії (електричну, теплову і інші). Розроблено сотні типів приймачів випромінювання, які відрізняються принципом дії, конструкцією, параметрами.

Перш ніж розглядати конкретні типи приймачів, визначатимось, якими параметрами харатеризуються приймачі.

Основні параметри приймачів оптичного випромінювання (ОВ) визначені державним стандартом :

Чутливість S - визначається як відношення зміни вихідної величини А до викликавшого цю зміну потоку ОВ:

Одиниці чутливості можуть бути:

У паспорті на приймач повинні бути обумовлені умови, при яких визначалась чутливість : температура, частота модуляції ОВ, смуга пропускання вимірювального тракту.

Виявляюча здатність і звязані з нею величини : струм (напруга) шуму, пороговий потік, питомий пороговий потік, питома виявляюча здатність. Потік ОВ, який викликає на виході приймача сигнал, який рівний середньому квадратичному значенню вихідної напруги шуму в задній смузі частот ( ), називається пороговим, а величина, обернена йому,- виявляюча здатність ( ).

Питомий пороговим потоком Ф_n називають пороговий потік, який відноситься до площі чутливого елемента S в одиничній смузі частот :

. (1.75)

Величину, обернену до питомого порогового потоку, називають питомою проявляючою здатністю :

. (1.76)

Іншими словами, поріг чутливості – це мінімальний сигнал приймача, який може бути підсиланий і використаний. Ідеальний приймач може зафіксувати одного кванта 0В.

Око – майже ідеальний приймач. Дослідним шляхом встановлено, що адаптоване до темряви око може виявити однорідне ОВ з 550 мм з енергіею в декілька квантів. Сучасні ФЕП і фотографічні детектори також мають дуже малий поріг чутливості.

Власна постійна часу визначає інтервали часу наростання (до 1- від максимального значення) і спаду (в е раз) напруги вихідного сигналу при опроміненні приймача прямокутним імпульсом. Деякі автори вважають за критерій інерційності час, на протязі якого встановиться при прямокутному імпульсі величина 50% від показів при тривалому опроміненні. З постійною часу зв’язана гранична частота, при якій чутливість приймача падає в 1,414 раз від чутливості при немодульованому випромінюванні. Наприклад, стала часу ока становить 0.1с.

Чутливість розрізняють ще спектральну і інтегральну. Спектральна чутливість – це чутливість приймача до однорідних випромінювань, тобто вона є функцією довжини хвилі.

Приймач, в якого є чітко виражені максимуми спектральної чутливості, називається селективним.

Неселективний приймач – це приймач, в якого спектральна чутливість є однаковою в усьому (що практично не реально) діапазоні довжин хвиль, а практично, в якому-небудь, достатньо широкому для практичної мети діапа-зоні .

На практиці замість спектральної характеристики користуються частіше відносною спектральною чутливістю приймача, яка дорівнює відношенню спектральної чутливості приймача S() для будь-якої довжини хвилі  його робочого діапазону до максимального значення спектральної чутливості S()_мах того ж приймача :

S’ = (1.77)

Важливою характеристикою приймачів є інтегральна характеристика, яка визначається для складного випромінювання, яке падає на приймач. Вона характеризує здатність приймачів реагувати на випромінювання різних спек-тральних складів.

Для лінійчастого спектру інтегральна чутливість:

S_i= , (1.78)

для суцільного спектру S_i= . (1.79)

Спектральна чутливість приймача залежить тільки від його властивостей, а інтегральна – як від властивостей приймача, так і від властивостей джерела. Інтегральну чутливість використовують для характеристики селективних приймачів.

Крім того ще використовуються такі параметри як темновий опір, динамічний опір, вольт-амперна характеристика, залежність від частоти модуляції ОВ, залежність від потужності ОВ, залежність від температури приймача.

Випромінювання оптичного діапазону можуть перетворюватись в видиме зображення (ІЧ чи УФ) або в електричний сигнал. Для перетворення невидимого зображення у видиме можуть використовуватись індикатори.

В деяких випадках треба застосовувати індикатори, які реагують на кванти видимого світла (при неможливості роботи оператора біля об'єкту контролю із-за небезпеки чи обмеженості простору). Для цього використовується фотографування, волоконно-оптичні і телевізійні системи. На основі волоконно-оптичних систем (світлопроводів) створюють ендоскопи.

Первинні вимірювальні перетворювачі являються основою автоматизованих систем оптичного неруйнівного контролю якості промислової продукції. В їх ролі використовують : фоторезистори, фотодіоди, фототранзистори, вакуумні фотоелементи, ФЕП, матриці на базі напівпро-відникових матеріалів, передаючі телевізійні трубки.

Фоторезистори і вакуумні фотоелементи - мають найліпші метрологічні характеристики при перетворенні інтенсивності світла в елект-ричний сигнал. Фоторезистори можуть забезпечити реєстрацію невеликих світлових потоків в широкому спектральному діапазоні, особливо при охолодженні їх до кріогенних температур (охолоджувані болометри). Недолік : нелінійність характеристики, деяка інерційність.

Вакуумні фотоелементи – лінійні, але, оскільки в них використовується зовнішній фотоефект, то їх чутливість невелика, спектральний діапазон вужчий, особливо поблизу " червоної границі " для квантів з малою енергією. Ці властивості обумовлюють застосування вакуумних фотоелементів в основному для точних світлотехнічних вимірювань.

Фотодіоди і фототранзистори мають високу чутливість, але недосить стабільні характеристики. Сильно впливає на них температура. Тому вони застосовуються в тих випадках, де сигнали мають імпульсний характер (для передачі частотних змін).

Фотоелектронні помножувачі (ФЕП) – лінійні перетворювачі, чутливість, яких більша від вакуумних фотоелементів в 10  10⁷ раз. Але більші шуми, необхідність високої напруги, обмежує їх використання.

В зв'язку з досягненнями мікроелектронних технологій починають широко використовуватися матричні прилади у вигляді лінійок чи пластин із напівпровідникових елементів з впорядкованим розміщенням виводів і прилади з зарядовим зв'язком. Ці прилади служать базою для апаратури оптичного неруйнівного контролю, приймають оптичні сигнали в просторі шляхом квантування їх і дальшої дискретної обробки. На їх основі будують твердотільні аналоги електронно-променевих трубок (ЕПТ), які дозволяють одержувати електричні сигнали про розподіл освітленості в просторі.

Електронно-променеві трубки (вакуумні, передаючі) перетворюють сформовані на їх вхідній мішені зображення у впорядковану послідовність електричних сигналів, що дає можливість одержувати і обробляти великий об'єм інформації про контрольований об'єкт.

Суперортикон - передаюча електронно-променева трубка (ЕПТ), яка використовує зовнішній фотоефект. За рахунок переносу електронів, які появились в результаті дії квантів падаючого світла, на двосторонню сумуючу мішень і використання внутрішного фотоелектронного помноження (ФЕП) він має дуже високу чутливість в порівнянні з іншими електронно-променевими трубками. Недоліки - складний в виробництві і в експлуатації, великі спотворення зображення при попаданні на екран елементів з великою яскравістю

Відикон - найбільш часто застосовують в технічних телевізійних системах. Це електронно-променеві трубки з внутрішнім фотоефектом і з нагромадженням зарядів. У них є менша чутливість і більша інерційність. Спектральні властивості визначаються матеріалом фотокатоду. Для видимої області для фотокатодів використовують: сполуки сурми, селену, миш'яку, сірки ; для ІЧ - області:- сульфіди свинцюцинку, для УФВ - області: - селен, який має широку спектральну характеристику. Вдосконалені електронно-променеві трубки цього типу – кремнікон, плумбікон.