Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Неразрушающий контроль. В 2 частях. Ч.2. Неразрушающий контроль в управлении качеством с применением мехатронных систем. Учебное пособие
.pdf
кости или вида поляризации колебаний после взаимодействия излучения
с изделием. Перед испытанием приёмную антенну (от лат. antenna – мачта,
рея) разворачивают до тех пор, пока сигнал на её выходе от образцового
ОК не станет равным нулю. Сигналы от испытуемых изделий характеризуют степень отклонения их свойств от образцового.
При контроле внутреннего строения ОК используют голографиче-
ский метод.
Радиоголография – это методы записи, восстановления и
преобразования волнового фронта электромагнитной волны радиодиапазона, аналогичные методам оптической голографии.
Радиоголографию применяют для получения в микроволновом диапа-
зоне изображений объектов, скрытых оптически непрозрачными средами.
Наиболее ярким примером применения голографических методов
обработки радиосигналов может служить радиолокатор с синтезируемой
апертурой (от лат. apertura – отверстие). Принцип синтезируемой апертуры лежит в осно
получения сверхвысокого разрешения в диапазоне ра-
ве
диоволн. Небольшая антенна, входящая в состав такого радиолокатора,
принимает сигналы от исследуемого объекта последовательно по мере
взаимного перемещения этого объекта и антенны. Принимаемые сигналы
записываются в виде радиоголограммы.
Радиоволновой контроль по прошедшему излучению позволяет
обнаружить дефекты изделия, если их параметры μ
и εа значительно от-
а
личаются от аналогичных параметров основного материала, а размеры
соизмеримы или превышают длину волны зондирующего излучения.
В простейшем варианте такого контроля в приёмном тракте поддерживают режим бегущей волны. Наиболее полную информацию об ОК даёт
применение многоэлементных антенн, поскольку в этом случае удаётся
воспроизвести внутреннюю структуру объекта. Для повышения разрешаю
ей способности дефектоскопии используют метод самосравнения.
щ
Его реализуют с помощью двух комплектов излучающих и приёмных устройств, максимально приближённых друг к другу. Результирующий сигнал определяется разностью амплитуд и фаз сигналов приёмников каждого канала. Наличие дефекта приводит к изменению условий распространения волны в одном канале и появлению разностного сигнала.
Анализ динамики изменения сигнала пр
периодическом прохожде-
и
нии дефекта через зону контроля радиоволнового дефектоскопа позволяет
снизить порог его чувствительности.
Резонансный метод радиоволнового контроля основан на введении
ОК в резонатор, волновод или длинную линию и регистрации изменений
параметров электромагнитной системы (резонансной частоты, добротности,
числа возбуждаемых типов колебаний и т.д.). Этим методом контролируют
размеры, электромагнитные свойства, деформацию и другие параметры ОК.
Успешно используют резонансный метод для контроля уровня жидкостей
в резервуарах и параметров движения различных объектов.
41
Радиоволновые методы применяют для измерения толщины диэлектрических покрытий на металлической либо диэлектрической основе,
толщины диэлектрических слоёв, металлических листов и проката. Для
толщинометрии используют амплитудный, фазовый, частотно-фазовый,
геометрический, поляризационный и другие методы.
В амплитудно-фазовом методе используют функциональную связь
между коэффициентом отражения от диэлектрического слоя и его толщиной. Как правило, реализуют относительное измерение модуля и аргумента (лат. argumentum, от arguere – представлять, приводить, доказывать)
коэффициента отражения с помощью высокочувствительных мостовых
устройств. Условие однозначности результатов измерения толщины d
(или её изменения Δd) определяется соотношением
λ
0
)(
dd
, (15)
ε≤Δ4
r
где εr − относительная ДП материала слоя на длине волны λ0.
Предельная относительная погрешность измерения толщины данным
Δ
методом равна
n
n
, где
n =
ε , т.е. она мала только при контроле весь-
r
ма однородных диэлектриков и практически составляет 1…3%.
На рисунке 37 показана схема преобразователя СВЧ-толщиномера,
реализующего амплитудно-фазовый метод измерения.
Разновидностью амплитудно-фазового является
СВЧ, применяемый в ряде приборов для контроля толщины и(или)
тод
импедансный ме-
удельного сопротивления полупроводниковых эпитаксиальных (от греч.
επι – на, над, при и …ταξισ – расположение, порядок) и диффузионных
слоёв и структур.
8
6
7
2 1
3 4 5
9
10
Рис. 37. Структурная схема амплитудно-фазового толщиномера,
1 – генератор СВЧ; 2 – вентиль; 3 – аттенюатор; 4 – двойной волноводный
тройник; 5 – детекторная секция; 6 – опорное плечо; 7 – усилитель;
42
работающего на отражение:
8 – вторичный прибор; 9 – антенна; 10 – ОК
Входное сопротивление структур измеряют через фазу и амплитуду
(
стоячей волны, причём контроль можно проводить как однопараметровым, так и двухпараметровым способом с погрешностью (при контроле
толщины) не более ±15% на длине волны 7,5 мм. Контролю подвергают
обычно не более двух слоёв.
При использовании
не содержится в геометрическом параметре
геометрического метода информация о толщи-
l – расстоянии между точками
входа и выхода радиоволнового пучка.
При наклонном падении пучка на диэлектрический слой толщина
материала равна
l
d
−= n
2
βsin
2/1
β
22
)
(16)
,sin
где β – угол падения; n – показатель преломления.
Геометрический метод контроля относится к абсолютным методам и
позволяет контролировать толщину плоских слоёв практически от нуля
до значений, ограниченных мощностью излучения. Для слабонеоднородных диэлектрических сред контроль толщины геометрическим методом
может быть осуществлён с погрешностью 2…3%. Важно и то, что имеется
возможность измерения толщины слоя при неизвестном показателе
преломления. Если задать разн
жение (16) показатель преломления
⎛
⎜
=lllld
21
⎜
⎝
углы падения пучка β1 и β2, то в выра-
ые
n не входит:
2
22
1
2
−
βsinβsin
1
2
22
−
22
2/1
⎞
⎟
.
(17)
⎟
)β2(sin)β2(sin
⎠
1
Частотно-фазовый метод реализуется при периодическом во вре-
мени изменении частоты генератора СВЧ. При перестройке частоты генератора зависимость результирующего отражённого от плоского объекта
сигнала является осциллирующей и искомая толщина изделия равна
где N – число периодов; Λ – период осцилляций; f2, f
частот перестройки;
c – скорость света.
cN
Λ
d
=
, (18)
)(
ffn
−
12
– крайние значения
1
Частотно-фазовый метод позволяет измерять толщину диэлектрических сред способом на отражение в широком интервале значений толщины с погрешностью 3…6%.
Весьма перспективное направление толщинометрии –
вая эллипсометрия
. В основе метода лежит преобразование линейно по-
радиоволно-
ляризованной волны при отражении от ОК в волну, поляризованную
по эллипсу (от греч. ελλειπσισ
– недостаток, нехватка, опущение), и из-
мерение параметров последнего.
43
Многочастотный метод заключается в измерении коэффициента
отражения от поверхности ОК (в общем случае многослойного) на ряде
фиксированных частот, число которых равно или превышает число параметров, подлежащих контролю. Подставляя в формулы для коэффициента
отражения его измеренные значения, получим систему нелинейных уравнений, где не известны исследуемые параметры – толщина измеряемых
слоёв и диэлектрическая проницаемость. Эту систему можн
о ре
шить чис-
ленными методами.
Фазовый метод применяют для бесконтактного автоматизированно-
го контроля толщины металлических лент, полос, проката при двустороннем расположении антенн датчика относительно ОК. В этом случае
смещение изделия между антеннами не влияет на результаты контроля.
Применение рупорно-линзовых антенн уменьшает расходимость пучков,
позволяя получить значения коэффициента стоячей волны по напряжению
около 120, что обеспечивает высокую чувствительность и низкую
погрешн
о
сть (около 1%) в диапазоне длин волн λ = 3…10 см при попе-
речных перемещениях листа до λ/2.
Объекты из диэлектриков, полупроводниковых материалов и композитов могут иметь следующие дефекты: нарушения сплошности, инородные
включения, имеющие разнообразные формы и размеры, структурные неоднородности. С другой стороны, все дефекты разделяют на локальные (соизме
ри
мые или меньшие длины волны) и протяжённые (больше длины волны).
Неоднородности любого типа вызывают изменение волны, прошедшей через материал или отражённoй от него. При этом меняются амплитуда, фаза, поляризация волны, а также коэффициенты отражения, преломления. Структурные неоднородности изделия обнаруживают также,
используя явления рассеяния, дифракции и интерференции (от
и лат.
ferio – ударять). Если размеры неоднородностей невелики по срав-
интер…
нению с длиной волны, то основную роль при их обнаружении играют
рассеяние и дифракция. Теоретически, чем меньше длина волны, тем вероятнее надёжное выявление более мелких структурных неоднородностей. Однако практический выбор длины волны определяется и другими
факторами: при уменьшении длины волны возрастает поглощение (рассеяние) в сре
териала, выраженная через отношение Δ
е и убывает относительная допустимая неоднородность ма-
д
n/n. Поэтому оптимальную длину
волны находят теоретически и экспериментально. Чувствительность измерения зависит также от выбранного метода и схемы прибора, реализующего метод, от типа и размеров антенн и т.д.
Для контроля объектов способом отражения в настоящее время используют ряд методов: амплитудный, фазовый, амплитудно-фазовый, поляризационный, геометрический и поверхностных во
Схемы мн
огих дефектоскопов построены на основе двойного волновод-
лн.
ного тройника в качестве моста СВЧ. Если симметричные плечи тройника
имеют одинаковую нагрузку, то отражённые волны СВЧ не проходят в выходное плечо тройника, мост согласован, а сигнал на выходе отсутствует.
44
7
5
6
8
1 – генератор СВЧ; 2 – вентиль; 3 – двойной тройник; 4 – опорное плечо;
5 – детекторная секция; 6 – усилитель; 7 – вторичный прибор; 8 – антенна; 9 – ОК
9
Рис. 38. Структурная схема амплитудно-фазового
дефектоскопа, работающего на отражение:
321
4
Баланс моста, как правило, устанавливают, изменяя положение перестраиваемых элементов опорного плеча (рис. 38) при постоянных значениях зазора и толщины изделия на образцовом объекте или на бездефектном участке ОК.
Обычно тройник выполняется с высокой степенью развязки плеч
(60…70 дБ), что и определяет высокую чувствительность дефектоскопов,
Н
позволяя выявить набег фазы до 0,002…0,020 рад, изменения модуля коэф-
–3
фициента отражения до 2⋅10
, Δεr /εr от 0,002 до 0,190 и расслоение
с раскрывом 0,005…0,050 мм. Минимальные значения относятся к случаю
контроля диэлектрического листа, расположенного на металлическом «зеркале» при коэффициенте отражения около 1,0, а максимальные – к случаю контроля без подложки с коэффициентом отражения около 0,1. Возможно также
обнаружение локальных воздушных включений с размерами (0,01…0,05)λ.
Достоинство таких дефектоскопов состоит в наглядности по
и лёгкой их расшифровке, так как всем участкам ОК, характе
ристики которых значительно отличаются от характеристик образца, соответствуют
высокие уровни выходного сигнала.
Поляризационные дефектоскопы (рис. 39), фиксирующие измене-
ние поляризации волн СВЧ, пригодны для обнаружения различных дополнительных дефектов в изотропных материалах, но наиболее перспективно их применение для контроля диэлектрической и технологической
анизотропии, а также внутренних действующих или остаточных напряжений в диэлектрических ОК.
Чувствительность поляризационных дефектоскопов зависит от рас-
положения дефекта, например трещины, по о
тношению к вектору по
зации падающей волны.
Поэтому применение волны с переменной (круговой) поляризацией
даёт более надёжные результаты. При наличии дефекта изменяется поляризация отражённой волны – возникает эллиптически поляризованная
волна, баланс схемы нарушается и на выходе появляется сигнал разбаланса, соответствующий дефекту.
Е и
казаний
ляри-
45
3 11
3
Рис. 39. Схема поляризационного дефектоскопа
1 – генератор; 2 – поляризатор; 3 – антенна; 4 – анализатор поляризации;
5 – 7 – элементы балансной схемы (турникетное соединение волноводов);
8 – детекторная секция; 9 – усилитель; 10 – вторичный прибор; 11 – ОК
1
10
с круговой поляризацией падающей волны:
2
9
6 5
7 8
6 5
4
Для повышения достоверности контроля используют комбинацию
схемы, приведённой на рис. 37. Например, если к рабочему входу тройника
3 вместо антенны 8 подключено Н-плечо тройника, а рядом с парой
приёмно-передающих антенн дифференциального дефектоскопа расположена ортогонально и симметрично пара приёмных антенн, подключённых
к третьему тройнику, то получится схема трёхканального дефектоскопа,
в котором реализовано три метода: амплитудно-фазовый с опорным плечом, амплитудно-фазовый дифференциальный и поляризационный.
При этом дифференциальный канал регистрирует нарушение
сплошности в материале по фазе и амп
л
итуде электромагнитных волн,
отражённых от соседних участков ОК. Балансный канал обеспечивает
контроль свойств, для этой цели используют образцовое плечо. Настройку
на образец или бездефектный участок проводят с помощью поршня и аттенюатора (от фр. attener – ослаблять) балансного тройника. В поляризационном канале регистрируют сигнал о наличии ани
зотропии и в совокупност
и
с балансным или дифференциальным каналами получают дополнительную
информацию, позволяющую проводить разделение дефектов.
Выявляемые дефекты (при длине волны 8 мм): расслоение с раскрытием
0,1 мм и площадью 1 см
2
на глубине до 20 мм; поры, раковины диаметром
до 1 мм на глубине до 15 мм и диаметром от 3 мм на глубине 15…40 мм;
трещины с раскрытием 0,1 мм длиной 1 см на глубине до 10 мм.
На рисунке 40 показан радиоволновой структуроскоп (бетоноскоп)
для определения состояния железобетонных конструкций и локализации
скрытых в них коммуникаций. По своим функциональным характеристикам и д
стоверности получаемых результатов он превосходит рентгенов-
о
ский контроль, позволяя полностью заменить этот метод НК.
46
Рис. 40. Радиоволновой бетоноскоп
ε
′
ε
′
Бетоноскопы позволяют проводить:
– измерение толщины бетонных конструкций;
– локализацию линий электропередачи;
– определение состояния и построение трёхмерных карт арматуры;
– обнаружение пустот и неметаллических включений.
Метод поверхностных волн основан на приёме и анализе поверхност-
ных замедленных волн, возбуждаемых в связанных неодинаковых диэлектрических волноводах, одним из которых является плоскослоистый ОК, другим – расположенная параллельно ему активная диэлектрическая антенна.
Радиоволновые приборы для контроля вязкости полимерных ма-
териалов и связующих, содержания компонентов и процесса отвердения
связующего основаны на использовании корреляции (от позднелат.
correlatio – соотношение) между искомыми параметрами и диэлектриче-
скими свойствами среды.
Быстрое и точное
измерение влажности необходимо для обеспече-
ния высокого качества многих видов продукции. Применение для этой
цели радиоволновых методов основано на контрасте диэлектрических
свойств воды и «сухих» (обезвоженных) диэлектрических сред. Анализ
показывает, что значения
воды превышает значения
r
сухих мате-
r
риалов в несколько десятков раз, а tgδ – в несколько сотен раз. Так,
в 3-сантиметровом диапазоне радиоволн ε
полистирола ε
= 1,5.
п
= 59 (tgδв = 0,46), а для пено-
в
При увлажнении среды получается как минимум двухкомпонентная
смесь, ДП которой ε
определяется выражением
см
εсм = Св ε
+ С
в
с εс
, (19)
где εв , εс – ДП воды и сухого материала соответственно; Св, Сс – объёмная
концентрация воды и материала среды. Так, в 3-сантиметровом диапазоне
радиоволн ε
= 59 (tgδв = 0,46), а для пенополистирола εс = 1,5.
в
В большинстве радиоволновых СВЧ-влагомеров реализована методика контроля на прохождение, когда увлажнённый участок объекта контроля вызывает резкое изменение (уменьшение) амплитуды сигнала
за счёт увеличения отражения и поглощения.
47
Радиоволновые методы находят применение для обнаружения в диэлектрических и полупроводниковых материалах дефектов типа нарушения сплошности, инородных включений, структурных неоднородностей.
Неоднородность любого типа вызывает изменение параметров волны,
прошедшей через материал или отражённой от него. Эти изменения позволяют обнаружить дефекты размером 1…2 см
2
при толщине материала
до 1 м. Радиоволновые методы используют также для контроля толщины
диэлектрического слоя на металлических или диэлектрических покрытиях. При этом относительная погрешность измерения составляет 1…3%
или 50…100 мкм на длине волны 3 см и 20…30 мкм на длине волны 8 мм.
Пределы контролируемых толщин колеблются от единиц до нескольких
сотен миллиметров.
Задачи контроля таких п
араметров, как п
ористость, удельное электрическое сопротивление, ДП, тангенс угла диэлектрических потерь,
влажность, вязкость, амплитуда вибраций, также решают радиоволновыми методами.
Радарные уровнемеры предназначены для непрерывного бесконтактного измерения уровня различных жидких (нефти, нефтепродуктов, воды,
щелочей, кислот, масла и др.) и сыпучих (цемента, извести, песка, щебня,
руды, шихты (нем. Schicht), угля, гранулированн
го порошка) сред, кон-
о
троля и световой сигнализации заданных положений текущего уровня или
текущего объёма в технологических и товарных резервуарах, бункерах
(от англ. bunker – ёмкость), танках (от англ. tank – цистерна, бак) и т.п.
стационарных установок, в том числе и в ёмкостях, находящихся под избыточным давлением.
Принцип действия волновых уров-
немеров осн
ован на эффекте отраж
ения
радиоволн от жидкости или сыпучего
материала (рис. 41).
В отличие от УЗ-уровнемера, радары (англ. radar, сокр. от radio detecting and
ranging – радиообнаружение и определение дальности) не требуют наличия
несущей среды (воздуха), поэтому на результатах измерения практически не сказывается наличие пыли, пара, давления и
высоких температур. Рабочая частота
р
а
даров составляет несколько гегагерц.
а) б)
Рис. 41. Радарный уровнемер:
а – с рупорной антенной;
б – со стержневой антенной
48
Высота уровня по радару равна
где t – время прохождения радиоимпульса туда и обратно.
8
t
⋅
103
h
=
, (20)
2
Диапазон измерений таких радаров составляет примерно 0,3…30,0 м,
а погрешность измерения – около 10 мм.
Принцип действия георадара (рис. 42) основан на радиолокационном
зондировании сверхширокополосными (наносекундными) импульсами
метрового и дециметрового диапазонов электромагнитных волн и приёме
сигналов, отражённых от границ раздела слоёв зондируемой среды,
имеющих различные электрофизические свойства.
Сферы применения георадаров чрезвычайно широки.
В геологии – это ко
нтроль и диагностика
состояния полупроводящих
природных и искусственных сред и объектов, в том числе для картирования структуры почвогрунтов и горных пород, оконтуривания и определения объёмов полезных материалов в карьерах (от фр. carriére – разрез) и
оценки объёмов вскрышных работ, поиска водоносных горизонтов и определения уровня грунтовых вод, обследования дна водоёмов и др.
В до
ро
жном строительстве – картирование структуры дорожной
одежды, границ разделов как верхних асфальтобетонных, так и глубинных подстилающих слоёв, определение толщины и глубины залегания
слоёв непрерывно на всём исследуемом участке, контроль качества свежеуложенного покрытия, определение плотностных характеристик «тела»
дороги и обнаружение карстовых (от нем. Karst, по названию известнякового плато Крас в Сло
на всех типах покрытия.
ении) плоскостей, пустот и источников обводнения
в
а) б)
Рис. 42. Георадар:
а, б – приёмопередатчики; в – использование георадара
в)
49
В коммунальном хозяйстве георадары применяют для картирования
инженерных коммуникаций, локализации зон утечек в водоводах и теплотрассах, исследования грунта при прокладке трубопроводов и диагностики уже существующих, обследования состояния фундаментов, стен, межэтажных перекрытий.
В обследовании водных бассейнов георадары применяют для определения толщины льда, поиска различного рода металлических объектов,
в том числе г
а
зопроводов и нефтепроводов.
В строительстве – контроль и диагностика состояния строительных
конструкций, взлётно-посадочных полос, дорожных покрытий, геологических объектов, обнаружение и картирование участков утечки жидких
компонентов из подземных трубопроводов, разведка подземных коммуникационных сетей, пустот, проходов и так далее, обнаружение малоконтрастных объектов в почвогрунтах и строительных изделиях.
Отечественные г
е
орадары имеют технические характеристики,
приведённые в табл. 4.
Результаты зондирования нескольких параллельных профилей
можно показать на экране монитора в виде трёхмерных изображений или
в виде трёх ортогональных проекций любого заданного объёма (рис. 43).
4. Технические характеристики отечественных георадаров
Центральная частота спектра, МГц 150 250 400 550 700
Глубина зондирования, м,
в зависимости от целей работы
15...20 12...15 5...7 3...4 2...3
Разрешающая способность, м 0,35 0,25 0,15 0,12 0,05
50
Рис. 43. Трёхмерное изображение георадара
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]