Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Неразрушающий контроль. В 2 частях. Ч.2. Неразрушающий контроль в управлении качеством с применением мехатронных систем. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 56 / 96 7 8 9 > Следующая >>>

Глава 4. ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ

В результате взаимодействия оптического излучения с веществом изменяются пространственно-временные распределения амплитуды, фазы, поляризации, степени когерентности волны и др. Изменения проявляются в интерференции, дифракции, преломлении, отражении, рассеянии, дисперсии волн. Возможны также изменения характеристик ОК – механооптических, магнитооптических, акустооптических, фотопроводимости и др. Благодаря большому объёму информации об ОК, переносимой оп

учениями, удаётся решить ряд практических задач. К их числу относятся

изл задачи контроля геометрических параметров продукции – проката, проволоки, труб, прутков, профилей; плоских, сферических (от греч. σπηαιρα – шар) и несферических оптических поверхностей; диаметра текстильных нитей; стеклянных листов; строительных конструкций; шахтных стволов; изделий машиностроения; полупроводниковых структур и многое другое.

Оптическое излучение используют такж ществ: структуры пластмасс и полимеров, концентрации растворов, структуры тканей, концентрации примесей вредных веществ в воздухе и воде, состава нефти и нефтепродуктов, качества продуктов питания и др.

Отдельная область применения оптических методов контроля – это обнаружение дефектов на поверхности непрозрачных и внутри прозрачных ОК: контроль качества внутр инородных включений в стеклянных изделиях, жировых плёнок в материалах, мест утечки газа и нефти и т.д.

Оптика (от греч. οπτικε – наука о зрительных восприятиях, от греч.

οπτοσ – видимый, зримый) – раздел физики, в котором изучается оптиче-

ское излучение (свет), процессы его распространения и явления, наблюдаемые при взаимодействии света и вещества.

Оптическое излучение представляет собой электромагнитные волны, поэтому оптика – часть общего учения об электромагнитном поле (электродинамика).

Видимый глазом чел

овека диапазон эл

(λ = 0,38…0,76 мкм) называют светом.

За длинноволновой границей чувствительности зрительной системы простирается ИК-участок спектра (до 1000 мкм). ИК-лучи оказывают тепловое воздействие на ОК. Почти половина энергии излучения Солнца приходится именно на эту область спектра.

Волны с длиной света 12…380 нм получили название ультрафиолетовых. Они, как и ИК-волн

, не видны человеческому глазу. К особенно-

ы стям этого диапазона длин волн следует отнести их сильное поглощение обычным стеклом и воздухом.

В совокупности волны перечисленных диапазонов составляют об-

ласть оптических излучений.

енней по

тическими

для контроля состава ве-

верхности труб, обнаружение

ектромагнитных излучений

Фотометрия (от греч. πηοσ, род. падеж πηοτοσ – и …метрия) –

наука об излучении, измерении параметров (от греч. παραμετρεο – меряю, сопоставляю) и характеристик (от греч. χηαρακτερ – характер) переноса энергии оптического излучения. В фотометрии используют следующие единицы измерения (ГОСТ 26148–84).

Фотометрическая величина – аддитивная (от лат. additivus – прибав-

ляемый) физическая величина, определяющая временнóе, пространственное, спектральное распределение энергии оптического излучения и свойства веществ, сред и тел как посредников переноса или приёмников энергии.

Световая энергия Q – энергия, переносимая светом. Её измеряют

в джоулях (Дж) (Дж. Джоуль, J. P. Joule – английский физик, 1818 – 1889).

Световой поток Ф – физическая величина, определяемая отношением

световой энергии, переносимой излучением, ко времени переноса, значительно превышающему период электромагнитных колебаний. Его измеряют в люменах (лн) (от лат.

lumen – свет). Экспериментально установлено, что све-

товому потоку 1 лм, образованному излучением с длиной волны λ = 0,555 мкм, соответствует поток энергии 0,00146 Вт. Величину 0,00146 Вт/лм называют механическим (греч. μεχηανικε, от μεχηανε – машина) эквивалентом (от позднелат.

aequivalens – равнозначный, равноценный) света.

Сила излучения (света) I – физическая величина, определяемая от-

ношением светового потока, распространяющегося от источника света внутри малого телесного угла, содержащего рассматриваемое направление, к этому углу.

Источник света, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстоянием от места наблюдения до источника, называют точечным. В однородной и изотропной среде волна, излучаемая точечным источником, будет сферичес света используют силу света, которая равна

кой. Дл

я характеристики точечных источников

∫

,cos

dSL

Θ=

(21)

где dФ – световой поток, излучаемый источником в пределах телесного угла

dΩ; L – яркость; Θ – угол между направлением малого телесного

угла

l и нормалью к малой площадке dS.

Единица силы света – кандела (от лат. заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·10

Гц, энергетическая сила света которого в этом

candela – свеча) – сила света в

направлении составляет 1/683 Вт/ср.

Освещённость Е характеризуют световым потоком, приходящимся

на единицу поверхности, т.е.

ФdSd

(22)

E =

Единицей освещённости является люкс (от лат. lux – свет), создаваемый потоком в 1 лм, равномерно распределённым по площади 1 м

Уровни природной освещённости колеблются в весьма больших пре-

делах – от 0,25 лк в ясную лунную ночь, до 100

000 лк в ясный солнечный

день. В предвечерние часы внешняя освещённость снижается до 100 лк и меньше, в сумерки – до 5…10 лк. Минимальная освещённость, при которой человек способен различать предметы, составляет 0,0007…0,0008 лк.

Светимость М характеризует протяжённый источник света. Свети-

мость есть световой поток, испускаемый единицей площади наружу по всем направлениям (от 0 до 90°), т.е.

ФdSd

(23)

M =

Единицей светимости является люмен на квадратный метр.

Яркость L характеризует излучение света в заданном направлении:

(24)

υΩΔ

cos

Источники, яркость которых одинакова во всех направлениях, назы-

вают ламбертовскими или косинусными (новолат.

– дополнение синуса), так как поток, посылаемый элементом (от лат.

sinus

cosinus, от complementi

elementum – первоначальное вещество, стихия) поверхности такого источ-

ника, пропорционален

. Строго следует закону Ламберта только

cos

абсолютно чёрное тело (АЧТ).

Единицей яркости служит кандела на квадратный метр.

Интенсивность светового потока R – величина светового потока,

протекающего через единицу видимого сечения по направлению, определяемому углом нию, внутрь единичного телесного угла:

i между направлением потока и нормалью к этому сече-

RΩ= (25)

cosФiSd

Таким образом, интенсивность светового потока играет для характеристики светового поля ту же роль, что и яркость для характеристики светящейся поверхности, поэтому её нередко называют также яркостью светового потока.

Различают следующие приборы для измерения световых величин (ГОСТ 14686–69).

Фотометр – прибор для световых измерений.

Фотоэлектрический фотометр – фотометр, в котором в качестве

приёмника излучения используют физический приёмник, действие которого основано на фотоэффекте.

Гониометр (от греч. γονια – угол и …метр) – фотометр для измере-

ния углового распределения световых характеристик среды или поверхности.

Свечемер – прибор для измерения силы света. Люксметр – прибор для измерения освещённости. Яркометр – прибор для измерения яркости.

ГОСТ 16851–71 классифицирует оптические анализаторы (от греч.

αναλψειν – разбирать) жидкости по принципу действия следующим образом.

1. Оптические анализаторы жидкости. Оптический

– принцип действия основан на взаимосвязи параметров оптического излучения с составом или свойством анализируемой жидкости.

Спектральный – основанный на определении состава и(или)

свойств анализируемой жидкости в зависимости от спектрального состава излучения.

Абсорбционный (абсорбциометр) – измеряет относительное измене-

ние интенсивности оптического излучения, прошедшего через анализируемую жидкость, в результате поглощения его анализируемой жидкостью.

Спектрофотометрический – спектральный анализатор жидкости,

основанный на методах измерения поглощения оптического излучения анализируемой жидкостью.

Турбидиметрический (турбидиметр) – измеряет ослабления опти-

ческого излучения, прошедшего через анализируемую жидкость, содержащую взвешенные частицы.

Нефелометрический (нефелометр) – измеряет интенсивность опти-

ческого излучения, рассеянного анализируемой жидкостью, содержащей взвешенные частицы.

Пламенно-фотометрический (пламенный фотометр) – основан на

измерении интенсивности излучения элементов анализируемой жидкости, введённой в пламя.

Рефрактометрический (рефрактометр) – основанный на измерении

показателя преломления анализируемой жидкости.

Поляризационный (поляриметр) – измеряет угол вращения плос-

кости поляризации поляризованного света, проходящего через анализируемую жидкость.

Спектрополяриметрический (спектрополяриметр) – измеряет

разность угла вращения плоскости поляризации поляризованного света для разных длин волн.

Эмиссионный – основанный на определении состава анализируемой

жидкости по эмиссионным спектрам её атомов и молекул.

Люминесцентный – основан на измерении интенсивности её свече-

ния, обусловленного воздействием различных возбуждающих факторов.

Флуоресцентный (от названия минерала флюорит) – основан на ме-

тодах измерения интенсивности и времени жизни флуоресценции анализируемой жидкости или её компонентов.

Атомно-абсорбционный – измеряет оптическую плотность атомного

пара, полученного при атомизации анализируемой жидкости.

Атомно-флуоресцентный – измеряет интенсивность флуоресцент-

ного излучения атомного пара, полученного при атомизации анализируемой жидкости.

2. Магнитооптические анализаторы жидкости. Магнитооптический

– основан на зависимости значения выходного сигнала от оптических свойств анализируемой жидкости, помещённой в магнитное поле.

Анализатор жидкости кругового дихроизма (от греч. διχηροοσ –

двухцветный) – основанный на измерении разности коэффициентов поглощения лево

- и правоциркулирующего поляризованного света анализи-

руемой жидкостью, помещённой в продольное магнитное поле.

Анализатор жидкости магнитооптического двупреломления –

основан на измерении разности показателей обыкновенного и необыкновенного лучей ортогонального поляризованного света анализируемой жидкостью, помещённой в поперечное магнитное поле.

Анализатор жидкости магнитооптического вращения – измеряет

угол магнитного вращения плоскости поляризации линейно поляризованного света.

Термомагнитный – основан на измерении магнитооптического вра-

щения при различных температурах.

Дисперсионный анализатор жидкости магнитооптического вра-

– измеряет разность угла вращения плоскости поляризации для

щения

излучений с различными длинами волн.

В соответствии с ГОСТ 22729

–84 по методам анализа оптические

анализаторы жидкости подразделяют на следующие:

Фотометрические недисперсионные:

– абсорбционные; – турбидиметрические; – нефелометрические; – атомно

-абсорбционные.

2. Фотометрические дисперсионные: – абсорбционные (в УФ-, видимой и ИК-областях спектра); – эмиссионные (от лат.

emissio – выпуск), люминесцентные и пла-

менные.

3. Рефрактометрические.

4. Поляризационные. Различают следующие методы (ГОСТ Р 53696–2009) оптического НК: – прошедшего оптического излучения, основанный на анализе

взаимодействия оптического излучения с ОК;

– отражённого оптического излучения, основанный на регистрации

параметров оптического излучения, отражённого от ОК;

– рассеянного оптического излучения, основанный на регистрации

параметров оптического излучения, рассеянного от ОК;

– собственного оптического излучения, основанный на регистрации

параметров собственного излучения ОК;

– индуцированного оптического излучения, основанный на регистрации параметров оптического излучения, генерируемого ОК при постороннем воздействии;

– спектральный, основанный на анализе спектра оптического излучения после его взаимодействия с ОК;

– когерентный, основанный на измерении степени когерентности оптического излучения после его взаимодействия с ОК;

– амплитудный, регистрирующий интенсивность оптического излучения после его взаимо

еменной, основанный на регистрации времени прохождения

– вр

действия с ОК;

оптического излучения через ОК;

– геометрический, основанный на регистрации направления оптического излучения после его взаимодействия с ОК;

– поляризационный, основанный на регистрации степени поляризации оптического излучения после его взаимодействия с ОК;

– фазовый, основанный на регистрации фазы оптического излучения по

сле его взаимодейств

ия с ОК;

– абсорбционный, основанный на анализе параметров поглощения оптического излучения ОК;

– интерференционный, при котором анализируют интерференционную картину, получаемую при взаимодействии когерентных волн, опорной и модулированной ОК;

– дифракционный, основанный на анализе дифракционной картины, получаемой при взаимодействии когерентного оптического излучения с ОК;

– рефрактометрический, основанный на анализе п

араметров пр

е-

ломления оптического излучения ОК;

– визуально-оптический, основанный на наблюдении ОК или его изображения с помощью оптических или оптико-электронных приборов;

– фотохимический, основанный на анализе параметров фотохимических процессов, возникающих при взаимодействии оптического излучения с ОК;

– оптико-акустический, основанный на анализе параметров оптикоакустического эффекта, возникающего пр

модействии оптического

и взаи

излучения с ОК;

– фотолюминесцентный, основанный на анализе параметров люминесценции, возникающей при взаимодействии оптического излучения с ОК;

– электрооптический, основанный на дополнительном воздействии на ОК внешнего электрического поля;

– магнитооптический, основанный на дополнительном воздействии на ОК магнитного поля;

– согласованной фильтрации оптического излучения, основанный на анализе изображения ОК с помощью оп

ти

ческого согласованного фильтра;

– разностного оптического изображения, основанный на регистрации различий в изображениях ОК и контрольного образца;

– фотоэлектрического оптического излучения, основанный на анализе параметров фотоэлектрического эффекта, возникающего при облучении ОК оптическим излучением;

– спекл-интерферометрии (от англ. speckle – пятнышко, крапинка) оптического излучения, основанный на использовании пространственной корреляции интенсивности диффузно-когерентного оптического излучения для получения интерференционных топограмм ОК;

– спекл-структур, основанный на анализе спекл-структур, образующихся при отраж

нии когерентного оптического излучения от шеро-

ховатости поверхности ОК;

– муаровых (от фр. moiré – букв. выбор, отбор) полос, основанный на анализе топограмм ОК, получаемых с помощью оптически сопряжённых растров;

– фотоимпульсный метод контроля геометрических размеров изделий, основанный на измерении длительности импульсов оптического излучения, пропорциональных геометрическим размерам ОК и п

мощью сканирования его изображения;

с по

олучаемых

– фотокомпенсационный метод контроля геометрических размеров изделий, основанный на измерении изменений интенсивности оптического излучения, вызванных отклонением геометрических размеров ОК от контрольного образца;

– фотоследящий метод контроля геометрических размеров изделий, основанный на регистрации перемещений фотоследящего устройства, пропорциональных изменению геометрических размеров ОК;

– голографический.

Глава 5. РАДИАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ

И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ

При радиационном контроле используют область излучений с дли-

ной волны от 10

Радиоактивность (от лат. radio – излучаю, radius – луч и …aktivus –

действенный) – способность некоторых атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) превращаться в другие ядра с испусканием частиц. К радиоактивным превращениям относятся: альфа-распад, все виды бета-распада (с испусканием электрона, позитрона (от лат. и ...

трон) или с захватом орбитального электрона), спонтанное деление

ядер, протонная (от греч. προτοσ – первый) и двупротонная радиоактивность, двунейтронная радиоактивность и другие виды распадов.

С уменьшением длины волны ν в соответствии с формулой Планка

где h = 6,626⋅10 кающая способность излучения. Обычно энергия гамма-квантов лежит в диапазоне от тысячных долей до 1 пДж. Большая проникающая способность ионизирующего излучения позволяет просвечивать стальные изделия толщиной до 700 мм.

В радиационном контроле используют в основном три вида ионизи-

рующих излучений: рентгеновское (W. Rontgen – немецкий физик, 1845 –

1923), гамма- и нейтронное. Источниками р

а)

Рис. 44. Детектор (а)

б)

и держатель

источника (б)

–8

до 10–2 мкм.

–34

Дж⋅с, энергия квантов W растёт и увеличивается прони-

мышленности служат ускорители электронов (рентгеновские аппараты, микротроны, бетатроны, линейные ускорители и т.п.) и источники бетаизлучения. Для получения гамма-излучения применяют в основном радиоактивные источники. Гаммаизлучение – это электромагнитное излучение с длиной волны короче 0,1 нм (частотой свыше 3⋅10 Оно обладает ярко выраженными корпускулярными свойствами, т.е. является потоком частиц – гаммаквантов. Источниками нейтронов являются ядерные реакторы, радионуклидные источники и ускорители заряженных частиц (генераторы).

Детектором (от лат. от лат. рующего излучения называют ПИП, предназначенный для преобразования энергии ионизирующего излучения в другой вид энергии, удобный для регистрации и(или) измерения одной или нескольких величин, характеризующих воздействующее на детектор излучение (рис. 44,

positivus – положительный

W = hν, (26)

нтгеновского излучения в про-

Гц).

detector – открывать,

detego – открываю, обнаруживаю) ионизи-

а).

По форме представления получаемой информации детекторы ионизирующего излучения разделяют на аналоговые и дискретные; по форме зависимости выходного сигнала от измеряемой физической величины, характеризующей излучение, – на линейные и нелинейные; по состоянию вещества чувствительного объёма детектора – на твердотельные, жидкостные и газовые; по методам регистрации ионизирующего излучения:

– сцинтилляционные (от лат.

scintillation – мерцание) – радиолю-

минесцентные детекторы, в которых используют сцинтиллирующее вещество, испускающее фотоны света под действием ионизирующего излучения и оптически связанное непосредственно или через световод с фоточувствительным устройством;

– ионизационные – детекторы, принцип действия которых основан на использовании ионизации в веществе чувствительного объёма детектора;

– полупроводниковые – ионизационные детекторы, в которых применяют элект

ическое поле для собирания неравновесных носителей за-

р рядов, образованных ионизирующим излучением в полупроводниковом материале чувствительного объёма детектора.

Различают следующие методы (ГОСТ 24034–80) радиационного НК: – радиометрический, основанный на измерении одного или несколь-

ких параметров ионизирующего излучения после его взаимодействия с ОК;

– радиографический, основанный на преобразовании радиационно-

го изображения ОК в радиографический снимо

записи этого изобра-

к или жения на запоминающем устройстве с последующим преобразованием в световое изображение;

– радиационной интроскопии (лат.

intro – внутри и др.-греч. σκοπέω –

смотрю), основанный на преобразовании радиационного изображения ОК в световое изображение на выходном экране радиационно-оптического преобразователя, причём анализ полученного изображения проводят в процессе контроля;

– радиоактивных индикаторов, основанный на регистрации и анализе ионизирующего излучения радиоактивных индикаторов, размещённых в ОК;

– радиационно-структурного анализа, основанный на рег анализе

ионизирующего излучения, испытавшего дифракцию на ОК;

истрации и

– радиационно-спектрального анализа, основанный на анализе спектрального распределения ионизирующего излучения, возникшего в результате взаимодействия первичного ионизирующего излучения с ОК;

– радиоактивационного анализа, основанный на регистрации и анализе ионизирующего излучения от наведённой в ОК радиоактивности;

– радиационной толщинометрии, предназначенный для измерения толщины или по

ностной плотности материала и основанный на изме-

верх рении параметров ионизирующего излучения, возникающего в результате взаимодействия первичного ионизирующего излучения с контролируемым материалом;

– флюорографии, основанный на фотографировании светового изображения, возникающего на флюоресцентном экране или на выходном экране радиационно-оптического преобразователя;

– электрорадиографии, основанный на преобразовании исходного радиационного изображения в рельеф электрического потенциала на полупроводниковой пластине с последующим преобразованием рельефа электрического потенциала в радиографический снимок;

– кинорадиографии, предусматривающий получение через разные промежутки времени упорядоченной пос

едовательности исходных радиа-

л ционных изображений и соответствующих им радиографических снимков на киноплёнке и предъявление наблюдателю выходных изображений с частотой, превышающей критическую частоту слияния мельканий;

– стереорадиографии, основанный на анализе стереопары радиографических снимков, полученных в результате преобразования двух исходных радиационных изображений, созданных двумя пучками ионизирующих излучений, между осями которы

имеется заданный угол;

– цветовой радиографии, в котором градации параметра исходного радиационного изображения воспроизводят в виде градаций цвета;

– радиационной томографии, позволяющий получать послойно изображения ОК;

– флюороскопии, в котором в качестве радиационно-оптического преобразователя используют флюоресцентный экран;

– стереорадиоскопии, основанный на анализе в процессе облучения стереопары выходных изображений, полученных в результате преобр

ух исходных радиационных изображений, созданных двумя пучками

ния дв

азова-

ионизирующих излучений, между осями которых имеется заданный угол;

– цветовой радиоскопии, основанный на воспроизведении градаций параметра исходного радиационного изображения в виде градаций цвета в выходном световом изображении.

Радиография – это метод радиационного НК, основанный на преобра-

зовании радиационного изображения ОК в радиографический снимок или записи этого изображения в запоминающем устройстве с последующим преобразованием в световое изображение. Метод используют для обнаружения макроскопических нарушений сплошности или неоднородности ма-

териала ОК, возникающих при изготовлении, а также для выявления дефектов, появившихся в процес

се эк

сплуатации

машин, механизмов и т.п.

На рисунке 45 показан радиограф, использующий многоразовые фосфорные пластины c разрешением 40 мкм.

Физика взаимодействия ионизирующих излучений с веществом такова, что радиография, как и другие радиаци-

Рис. 45. Радиограф

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 56 / 96 7 8 9 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]