4. Другие возможные методы и средства тнк

Вибротепловизионный метод

Вибротепловизионный метод особенно перспекти­вен для анализа изделий, работающих в условиях вибра­ции. В материалах с дефектами структуры под воздейст­вием вибрации возникают температурные поля, что обу­словлено рассеянием энергии колебаний на дефектах и превращением ее в теплоту за счет внутреннего перегре­ва в материале. В областях нарушения гомогенности структуры возникают локальные зоны перегрева объек­та. На термограммах вибрирующих пластин и других объектов четко выявляются дефекты типа расслоений, несплошностей и т.п.

При температурной чувствительности тепловизора 0,1 К в полимерных материалах дефекты типа расслое­ний размером порядка 5x6 мм² выявляются на глубинах залегания до 2 ... 3 мм.

Д ля объектов, подвергаемых циклическому механи­ческому нагружению с частотой f возрастание темпера­туры от первоначальной Т после п циклов колебаний, совершаемых за время t, определяется выражением

где  - декремент затухания; с - удельная теплоемкость материала;  - плотность материала; Е - модуль упруго­сти; ₀ - амплитуда механического напряжения.

В «слабых» (дефектных) зонах объекта амплитуды колебаний больше соответствующих значений для без­дефектных участков материала. Разность температур растет с увеличением частоты колебаний, достигая 0,8 К при f 100Гц и t50с для образцов из стали. Вибрация изделий на частотах, соответствующих резонансным колебаниям дефектных участков, дополнительно повы­шает чувствительность метода.

Вибрационное возбуждение объектов можно реали­зовать с помощью пьезоакустических и других стандарт­ных средств. Наиболее информативный диапазон частот выбирают либо расчетным путем, либо эксперименталь­но на имитаторах дефектов. Каждому дефекту соответ­ствует своя характерная частота, поэтому контроль целе­сообразно проводить на нескольких частотах.

Разработана система для бесконтактного количест­венного анализа напряжений в объектах, подвергаемых циклическому нагружению. Принцип действия системы основан на термоэластическом эффекте, т.е. пропорцио­нальности температурного градиента Т на поверхности объекта соответствующим изменениям основных напря­жений , возникающих в материале при циклической нагрузке: Т=-kТ, где Т - средняя температура объ­екта; k - термоэластический коэффициент. Значения Т для большинства материалов невелики, порядка 0,01 °С, что требует использования сверхчувствительных тепловизионных систем, в частности, с современными фотоприемниками, на базе тройных соединений (КРТ - кадмий - ртуть - теллур), охлаждаемых жидким азотом или гелием.

Метод тепловой томографии

Тепловая томография (ТГ) метод визуализации внутренних сечений объекта с помощью тепловых эф­фектов. Его можно реализовать импульсным облучением объекта плоским равномерным пучком излучения и по­следовательной регистрацией «тепловых отпечатков» дефектов или неоднородностей теплофизических пара­метров контролируемой структуры на противоположной стороне изделия с помощью быстродействующего теп­ловизора.

Один из вариантов ТТ основан на регистрации на термограммах в различные моменты времени тепловых изображений дефектов, расположенных на различной глубине. Записывая эти изображения, например в циф­ровое ОЗУ, можно затем последовательно просматривать строение слоев изделия на различной глубине. Этот ме­тод получил название метода хронологических термо­грамм (ХТГ) или динамической тепловой термографии (ДТТ). Исходной зависимостью теории ДТТ является зависимость температурного перепада над дефектом от времени, т.е. T(t). Количество различимых слоев дости­гает п 15 для углепластика, п  6 - для бетона.

Другой вариант ТТ основан на использовании алго­ритмов реконструкции изображений, используемых в традиционной технике томографа. Например, система трехмерного контроля внутренних тепловых неоднород­ностей объекта может быть основана на использовании «эффекта миража». С помощью цилиндрической линзы на поверхности изделия фокусируется лазерное излуче­ние в виде узкой полоски. Вспомогательный лазерный луч направляется вдоль этой полоски над поверхностью изделия (например, полированной кремниевой пластин­ки и т.п.). Объект последовательно перемещается в на­правлении, перпендикулярном освещаемой полоске, а после каждого цикла перемещения поворачивается отно­сительно оси, совпадающей с направлением излучения. С помощью позиционно-чувствительного фотоприемни­ка получают матрицу «проекций» для всех положений объекта, а затем восстанавливают изображение по стан­дартным алгоритмам. Для трехмерного контроля исполь­зуют второй пробный луч, направляемый параллельно первому над обратной стороной объекта.

Для получения изображения форматом 18 х 18 то­чек достаточно выполнить 36 измерений (18 х 2 с пово­ротом на 90°). Увеличение количества проекций улучша­ет качество изображения, но резко повышает длитель­ность обработки. В настоящее время есть перспектива создания методов ТТ, работающих в реальном времени.

Тепловизионный метод контроля влажности

Наличие влаги в объектах, особенно пористых, с развитой поверхностью обусловливает интенсивный процесс испарения за счет инфильтрации воды из подпо­верхностных областей материала. Процесс испарения сопровождается уменьшением температуры поверхности объекта. Тепловизионные методы позволяют дистанци­онно, наглядно и оперативно определять места скопле­ния влаги в объектах по термографическому изображе­нию, на котором зоны с повышенной интенсивностью испарения выглядят как менее нагретые.

Такие методы применимы в естественных условиях при наличии градиентов температуры между объектом и окружающей средой. Использование каких-либо источ­ников искусственного нагрева изделий (например, мощ­ных ИК-лазеров, СВЧ генераторов и т.п.), стимулирую­щих повышение скорости испарения, дополнительно увеличивает информативность метода.

Методы отличаются оперативностью и простотой процедур контроля. Однако количественная интерпрета­ция результатов контроля достаточно трудна, что обу­словлено сложностью анализа процесса массо- и тепло- переноса, особенно в сложных метеоусловиях. В связи с этим целесообразно использовать тепловизионные мето­ды в сочетании с каким-либо традиционным методом измерения влажности, используемым для получения ка­либровочных оценок влажности материала в некоторых опорных, реперных точках объекта. Например, эффек­тивно сочетание тепловизионного метода с инфракрас­ной рефлектометрией, реализуемой, например, с помо­щью ИК лазеров или других источников. Метод инфра­красной рефлексометрии основан на сильной зависимо­сти интенсивности поглощения излучения в некоторых характерных линиях ИК-спектра (например,  = 1,9 мкм и др.) от влагосодержания вещества. Для исключения мешающих факторов (колебания отражательной способ­ности, обусловленные локальными изменениями шеро­ховатости, цветности и подобными свойствами материа­ла) применяют дифференциальный метод, который ос­нован на сравнении коэффициентов отражения объекта в двух участках спектра. В одном участке отражение не зависит от влажности материала, но изменяется в соот­ветствии с упомянутыми факторами, а в другом - зави­сит от этих факторов, и от влажности.

Вихретокотепловой метод

Вихретокотепловой (ВТТ) метод основан на радио- импульсном возбуждении металлических объектов по­лем индуктора, приеме теплового отклика приповерхно­стным преобразователем во время и после теплового воздействия и анализе амплитудно-временной информа­ции. Ход теплового процесса определяется теплофизиче­скими и одновременно электромагнитными параметрами объекта, что позволяет в одном эксперименте проводить исследования как тепловыми, так и вихретоковыми ме­тодами. В частности, коэффициент температуропровод­ности чувствителен к химическому составу, тепловому старению, термообработке, размерам зерна сплавов. С помощью метода ВТТ возможна также (при фиксиро­ванных прочих параметрах) тепловая толщинометрия ферромагнитных и тонкостенных изделий, изделий с грубой поверхностью и др.

Возможен одно- и двухсторонний контроль изде­лий. Ввод энергии в объект возможен в контактном и бесконтактном вариантах. Нагрев изделия целесообразно регистрировать с помощью бесконтактного пирометри­ческого датчика.

Характерные значения параметров приборов, реали­зующих метод ВТТ: рабочая частота 30 ... 100 кГц, вре­мя нагрева 1 ... 3 с, вводимая от индуктора мощность 100 ... 150 Вт, диапазон контролируемых толщин 0,2 ...2мм, радиус индуктора 10 мм, чувствительность пиро­метра на базе пироэлектрического детектора 0,05 ...0,1 К.

Радиотепловой метод

В процессе ТНК необходимо регистрировать объ­емное распределение температуры в объектах. Одним из методов измерения температуры приповерхностных и глубинных слоев изделий из диэлектриков, прозрачных в радиодиапазоне (диапазон длин волн от 1 до 100 ...150 мм), может быть СВЧ термометрии (СВЧТ).

Большинство материалов непрозрачны в ИК-диапазоне спектра, но хорошо пропускают СВЧ излучение. Глубина проникновения erq сильно зависит от длины волны и химического состава вещества. Для длин волн   100 мм она составляет до 200 мм и более (например, для биологических объектов), для волн с  = 1 мм - по­рядка 0,5 ... 2 мм. С ростом длины волны разрешающая способность падает.

Созданы средства локальной СВЧТ и системы радиотепловидения. Следует отметить малую интенсив­ность потока теплового излучения от слабонагретых объектов в СВЧ диапазоне. Например, при T= 30 °С из­лучение с длиной волны  = 10 см в 10⁸ раз слабее, чем излучение с  = max =10 мкм. Это требует применения сверхчувствительных детекторов (обычно сверхпрово­дящих болометров, охлаждаемых до гелиевых темпера­тур) с чувствительностью порядка 0,01 ... 0,65 К. Кроме того, в СВЧТ велико время накопления сигнала (t ≥ 10 с и более). СВЧТ реализуется в контактном и бесконтакт­ном вариантах. Контактная СВЧТ реализуется с помо­щью антенны-зонда, например рупорного типа, которая накладывается на объект. При этом возможен как диф­ференциальный, так и абсолютный методы измерения. Бесконтактная СВЧТ реализуется в основном в диапазо­не длин волн 1 ... 10 мм. Радиотепловое излучение объ­ектов фокусируется на приемник с помощью радиооптических систем

Метод СВЧТ находится в стадии интенсивного раз­вития и уже сегодня используется в медицинских иссле­дованиях.

Фазовая термография

При сканировании объекта сфокусированным ла­зерным пучком, перемещение которого синхронизированно с разверткой ИК-камеры тепловизора, можно ре­гистрировать фазовые термограммы, т.е. зависимость от времени изменения температуры в каждой точке термо­граммы. Метод позволяет существенно снизить влияние неоднородности излучательной способности поверхно­сти объекта. Особенно эффективен он для контроля тон­ких пленок, различных покрытий и т.п. объектов. При­менение техники синхронного детектирования позволяет дополнительно повысить чувствительность контроля.

Обычно используются быстродействующие тепло­визоры, например, типа «Инфраметрикс», Р = 660 (спек­тральный диапазон чувствительности 8 ... 12 мкм, часто­та кадров до 60 Гц, число элементов растра 512 х 512 х 16 бит) в сочетании с быстродействующими процессо­рами, буферными ОЗУ и ПЭВМ.

В качестве греющего лазера используют С0₂ (= 10,6 мкм), Со ( = 5 мкм), аргоновые лазеры и т.п.

Излучение лазера обычно модулируется акустооптическим модулятором и на обратном ходе развертки блокируется. Расстояние (временная задержка) между греющим лучом и соответствующим мгновенным углом зрения ИК-камеры может регулироваться.

Теплоголографический ТНК композитов

Контроль тонкостенных оболочек из полимерных композиционных материалов, прочность которых суще­ственно зависит от дефектов типа воздушных расслое­ний, «слипнутых» отслоений и т.д., эффективен с помо­щью комбинированного теплоголографического метода.

Он заключается в нагреве (тепловом нагружении) изделия и совместной регистрации термограмм и голографических интерферограмм нагретой поверхности. При этом обнаружение дефектов производится по нали­чию аномалий интерференционных полос, а их протя­женность и глубина залегания на основании анализа термограмм контролируемой зоны изделия при его на­греве галогенными лампами. Оператор с помощью голографического интерферометра с термопластической сис­темой записи изображений и телевизионной системой практически в реальном масштабе времени наблюдает интерферограмму. В случае обнаружения аномалий (де­фектных участков) на интерферограмме дальнейшая об­работка дефектоскопической информации производится с помощью программного анализа термограмм, записан­ных в памяти ПЭВМ. Дефектоскопические процедуры реализуются на основе физико-математической модели процесса контроля (двухмерная обратная задача неста­ционарной теплопроводности).

Фототермоакустические методы .ТНК

В методе фототермоакустики лазерное (в общем случае оптическое) излучение проходит через оптиче­скую систему и попадает на поверхность исследуемого образца, в котором под воздействием излучения возни­кают температурные и акустические поля, по которым можно судить о структуре и параметрах изделия.

Поглощение лазерного импульса приводит к неста­ционарному повышению температуры поверхностного слоя как поглощающей, так и (за счет теплопроводности) прозрачной среды. При этом происходит возбуждение акустических волн как в прозрачной, так и в поглощаю­щей среде.

Все тепловые методы фототермоакустики позволя­ют работать с порошками: светорассеивающими, радио­активными, нагретыми до высокой температуры средами и т.д. Для измерения температуры приповерхностного слоя используют термопары, термисторы, пироэлектри­ческие пленки, а также ИК-радиометры (бесконтактные методы). Контактные методы применимы только для хорошо теплопроводящих сред и при весьма низких час­тотах модуляции.

К тепловым методам относятся также способы ре­гистрации оптико-акустического сигнала по зависимости показателя преломления сред от температуры.

В методе тепловой линзы с использованием проб­ного луча пробный луч подфокусируется или дефокусируется тепловой линзой, появление которой вызвано не­однородным нагревом среды основным лучом.

Метод тепловой линзы наиболее удобен для иссле­дования прозрачных сред и позволяет измерять коэффи­циенты поглощения вплоть до 10^-7 ... 10^-8 см^-1. Он может применяться как непосредственно, так и косвенно, для определения распределения температуры, коэффициен­тов температуропроводности, скоростей потока газов и тому подобного. При ортогональном расположении ос­новного и пробного лучей отклонение луча тепловой линзой часто называют «эффектом миража».

Частотный диапазон этого метода ограничен в ос­новном шумами источника пробного излучения и фото­приемника, а также (при косвенной регистрации) диа­метром луча. Диагностика по этому методу сопряжена с трудностями разделения температурного и акустическо­го полей. Тем не менее этот метод широко распростра­нен, в частности, в оптотермической микроскопии. Из­менения показателя преломления можно определить также интерферометрическими, гетеродинными и дру­гими подобными методами.

Непосредственно к тепловым методам примыкает метод «фотодефлекционной спектроскопии», суть кото­рого в рассеянии пробного излучения на деформациях поверхности поглощающей среды, вызванных неодно­родным лазерным нагревом. Обычно стараются сфоку­сировать пробное излучение на склон «выпучивания» в область наибольшего наклона поверхности для получе­ния максимального сигнала.

От изменения температуры поверхности зависят не только показатель преломления, что используется в фоторефрактивных методах, но и коэффициенты поглоще­ния и рассеяния света.