umm_465

на рис.7.23. Светочувствительным элементом ФС является полупроводник 1 на основе кадмия Cd, германия Ge или кремния Si, напыленный на подложку 2. По периметру полупроводника расположены контакты 3. Недостатки ФС – повышенная инерционность, нелинейность характеристики и зависимость от температуры.

Рис. 7.23. Структура (а), обозначение (б) и световые характеристики (в) фоторезистора

Фотодиод – это двухэлектродный полупроводниковый прибор с одним р-n-переходом (рис. 7.24). Фотодиоды включают в обратном направлении, если нет освещения, фотодиод аналогичен обычному диоду.

90

При освещении прибора образуются пары носителей заряда (электронов и дырок), что ведет к увеличению обратного тока. Световая характеристика фотодиода линейна в большом диапазоне светового потока. Интегральная токовая чувствительность около 15 мА/Вт. Граничная частота быстродействующих фотодиодов составляет 107 Гц. Фотодиоды можно использовать также в гальваническом (вентильном) режиме: при U = 0 фотодиод преобразует световой поток в электрическую энергию, э.д.с. которой составляет около 0,6 В.

Фототранзистор – это полупроводниковый прибор с двумя р-n- переходами, ток фототранзистора возрастает под воздействием подвижных носителей заряда, образующихся при освещении прибора (рис. 7.25). В качестве фотоприемника фототранзистор включают в схему с общим эмиттером, оставляя вывод базы свободным. При освещении базы в ней происходит генерация носителей заряда, создающих фототок в коллекторном переходе. В отличие от фотодиода в фототранзисторе появляется инжекция электронов из эмиттера в базу и ток транзистора в В+1 раз больше собственного обратного тока (В – интегральный коэффициент передачи тока базы, В ≈ 1000). В результате интегральная чувствительность фототранзистора примерно в тысячу раз больше фотодиода и достигает нескольких ампер на один люмен.

бФТ

Ф = 0

-UКЭ

Рис. 7.25. Структура (а), обозначение (б) и вольт-амперные характеристики (в) фототранзистора

Включение фототранзистора без вывода базы применяют при больших световых потоках, обычно на вывод базы подают напряжение температурной стабилизации. Диапазон частот составляет от нескольких килогерц до мегагерц.

Фототиристор – полупроводниковый приемник излучения с тремя и более р-n-переходами, включение которого управляется световым потоком. По сравнению с другими фотоприемниками фототиристоры имеют следующие преимущества: более высокую чувствительность по сравнению с фотодиодами

91

и фототранзисторами; наличие управляющего электрода позволяет осуществлять наряду со световым электрическое управление работой схемы.

Источник излучения и приемник, имеющие между собой оптическую связь, конструктивно могут быть объединены в единый прибор – оптрон. В источнике излучения электрические сигналы преобразуются в оптические, воздействующие на фотоприемник и создающие в нем снова электрические сигналы. Таким образом, связь между входом и выходом осуществляется оптическими сигналами. Цепь излучателя является управляющей, а цепь фотоприемника

– управляемой. Если оптрон имеет только один излучатель и один приемник, то его называют оптопарой.

Оптроны имеют ряд существенных особенностей: отсутствие электрической связи между входом и выходом; широкая полоса частот до 1014 Гц; возможность управления выходным сигналом путем воздействия на оптический канал; высокая помехозащищенность оптического канала от внешних электромагнитных полей. Конструктивно оптроны производят с закрытым или открытым оптическим каналом, как показано на рис. 7.26.

Рис. 7.26. Оптопары с закрытым оптическим каналом (а), с воздушным зазором (б) и с отражением от объекта (в): 1 – корпус; 2 – излучатель; 3 – фотоприемник; 4 - оптический

канал; 5 – объект

В оптронах с закрытым каналом (рис. 7.26, а) передающей средой могут быть воздушный или газовый промежуток, стекло, полимерный оптический лак и волоконные световоды. С помощью волоконного световода можно разместить приемник на значительном расстоянии от излучателя. Закрытые оптроны используются в качестве ключевых и аналоговых элементов, для гальванической развязки электрических схем, для коммутации больших токов и напряжений и в качестве реле.

Особую конструкцию имеют оптопары с открытым оптическим каналом. Как вариант между излучателем и приемником имеется воздушный зазор, в котором может перемещаться объект, управляя потоком излучения (рис. 7.26, б). В качестве объекта может быть перфолента или вращающийся диск с прорезями. В другом варианте оптопары с открытым каналом световой поток излучателя попадает на фотоприемник, отражаясь от объекта, что позволяет определять

92

положение объекта или идентифицировать (определять, различать) объект по каким-либо признакам, например по штрих-коду.

Многоэлементные приемники излучения можно разделить на приемники с полной электрической развязкой отдельных чувствительных элементов – координатные приемники излучения (КПИ) и на приемники с внутренними электрическими связями – приборы с зарядовой связью (ПЗС). КПИ позволяют осуществить произвольную координатную выборку отдельных элементов. Размеры отдельного элемента составляют несколько десятков микрометров, а их число может быть от нескольких десятков до нескольких тысяч. Частота считывания сигнала достигает 1кГц.

В ПЗС при подаче на них определенной последовательности тактовых импульсов осуществляется управляемое перемещение зарядов, накопленных под действием локального облучения, вдоль полупроводниковой подложки и формируется видеосигнал. Число элементов в линейке или по стороне ПЗС матрицы (пикселей) может составлять 512, 1024, 2048 элементов размером 8×8 мкм. Тактовая частота считывания 20 МГц. Более совершенными являются приборы с зарядовой инжекцией (ПЗИ). Техника оптоэлектронных приборов интенсивно развивается и весьма перспективна для целей технической диагностики.

7.13. Метод триангуляции

Самым универсальным методом, используемым в оптоэлектронных приборах контроля технического состояния объекта по геометрическим признакам, является метод триангуляции. Этот термин означает определение координат объекта по трем точкам. Метод триангуляции позволяет измерять расстояние до точки на объекте, а поскольку процесс измерения практически безинерционный, то можно определять параметры колебаний, вибрации, сканировать профиль объекта, движущегося с высокой скоростью и т. д.

Сущность метода иллюстрируется на рис. 7.27 и заключается в облучении

93

А1

В

1

А2

3

2

а2

4

а1 в

Рис. 7.27. Метод триангуляции

перемещающегося объекта 1 лазером 2 в точках А1 и А2 и фокусировке диффузного отражения объекта через объектив 3 в точках а1 и а2 на линейку или ПЗС матрицу 4.

7.14. Оптико-электронные системы измерения температуры (ОЭСИТ)

Развитие средств технического диагностирования во многом определяется возможностью бесконтактного измерения температуры частей машин и механизмов в процессе их функционирования. Техническое состояние подшипников, гасителей колебаний, теплоизоляции кузова, электрических машин и аппаратов других механизмов определяется температурой или перегревом их рабочих частей. Бесконтактное измерение температуры возможно с помощью ОЭСИТ. ОЭСИТ позволяют измерять температуру путем анализа потока теплового излучения от объекта.

Основные законы теплового излучения.

Закон Планка описывает распределение энергии излучения абсолютно черного тела при температуре Т по спектру длин волн λ:

где С1 =3,7415 10-16 Вт м2; С2=1,43879 10-2 м К.

Закон Стефана-Больцмана описывает энергетическую светимость для полного спектра излучения:

94

Ме = ∞∫Ме(λ,Т)dλ = σТ4 ,

0

где σ =5,66971 10-8 Вт м-2 К-4 – постоянная Стефана-Больцмана.

Закон Голицына-Вина определяет длину волны для максимальной энер-

гии излучения λmax = 3000Т , так как максимум излучения сдвигается влево,

его еще называют законом смещения. Кроме того, для коротковолновой зоны имеем

обозначив y = λ/λ max; x = Me / Me max получим удобную для практического использования единую изотермическую кривую, которая приведена на рис. 7.28.

y

8

4

0

Рис. 7.28. Единая изотермическая кривая

В аппаратуре теплового контроля букс для измерения температуры букс используют высокочувствительный приемник инфракрасного излучения болометр, представленный на рис. 7.29.

95

Рис. 7.29. Устройство болометра (а) и схема его включения в измерительный мост (б): 1 – линза из германия, 2 – основной терморезистор; 3 – экран; 4 – компенсационный терморезистор

В качестве малоинерционного термочувствительного элемента используется тонкая пленка полупроводникового терморезистора толщиной 10 мкм. Применяют болометр (рис. 7.29, а), состоящий из линзы 1, изготовленной из германия, пропускающего излучение в диапазоне длины волны 1,7 – 15 мкм, которая фокусирует инфракрасные лучи (ИКЛ) на активный терморезистор 2. Под экраном 3 размещен компенсационный терморезистор 4. Терморезисторы включены в плечи измерительной мостовой схемы (рис. 7.29, б). При отсутствии освещения инфракрасными лучами (ИКЛ) мост сбалансирован. При кратковременном освещении основной терморезистор RA нагревается, мост разбалансируется и в измерительную систему аппаратуры поступает сигнал.

7.15. Некоторые диагностические методы и приборы

Ниже перечислены без подробного описания методики и приборы, которые используются или могут быть использованы для диагностирования технического состояния вагонов.

Акселерометр – пьезоэлектрическое устройство для измерения ускорений и вибраций.

Измеритель усталостных нагрузок – прибор, регистрирующий число циклов нагружения, в которых нагрузка превысила установленный предел, и определяющий остаточный ресурс конструкции.

Фиброскоп – оптическая система с гибкими волоконными световодами, позволяет наблюдать (осматривать) объект в недоступных для прямого осмотра зонах.

Усилитель изображения обеспечивает электрооптическое усиление контраста участков поверхности, эффективен при выявлении трещин.

96

Тепловой ИК-монитор передает сигнал инфракрасного излучения от внутренних частей конструкции или деталей машины к измерительной системе по волоконному световоду.

Месдоза – прибор с упругими элементами и тензодатчиками, позволяющий непосредственно измерять силы.

Детектор утечки измеряет скорость падения давления в сосуде. Радиотелеметрическая система – миниатюрная система для радиопере-

дачи сигналов различных датчиков, расположенных на вращающихся частях машины, к устройствам регистрации.

Экспресс-анализ смазки позволяет обнаружить аномальный износ и дефекты в подшипниках.

Интроскопия – метод, основанный на прохождении жесткого излучения, генерируемого линейным ускорителем электронов, через оптически непрозрачные материалы; применим для обнаружения износов, деформаций, изломов недоступных для осмотра деталей и других признаков отказа различных механизмов.

Оптоволоконный датчик образования трещин – оптические волокна,

приклеенные в наиболее нагруженных местах конструкции, на концах волокон расположены светодиоды и фотодиоды. Разрушение волокна в месте образования трещины сопровождается потерей оптического сигнала.

Вопросы для самоподготовки

1.Назовите основные физические параметры диагностирования.

2.Чем определяется чувствительность преобразователя?

3.Как определить коэффициент чувствительности тензодатчика?

4.На чем основан принцип работы индукционного преобразователя?

5.Какие параметры изменяются в емкостном преобразователе?

6.Чем определяется напряжение на выходе емкостного преобразователя?

7.Что такое прямой и обратный пьезоэффект?

8.Опишите эффект Холла.

9.Приведите примеры использования в вагонном хозяйстве интегрального метода свободных колебаний.

10.В чем заключается принцип работы линейного дифференциального трансформатора?

11.Как зависит затухание звуковых колебаний от их частоты?

12.Приведите примеры использования в вагонном хозяйстве методов виброакустического контроля.

13.Почему в дефектоскопии используется ультразвуковой диапазон?

14.От чего зависит акустический импеданс?

15.Как определить амплитуду отраженной акустической волны?

16.Какие виды волн используются в ультразвуковой дефектоскопии?

17.Объясните импульсный эхо-метод.

18.Дайте определение акустической эмиссии.

19.Как распределяется энергия, выделяемая при росте трещины?

97

20.В чем различие между потоком излучения и световым потоком?

21.Дайте определение основным фотометрическим величинам.

22.Какими свойствами обладает излучение лазера?

23.На чем основан принцип работы фотоэлемента?

24.На чем основан принцип работы фотоумножителя?

25.Назовите полупроводниковые приемники излучения.

26.Какие преимущества имеет фототиристор?

27.Опишите принцип работы оптрона.

28.Какова область применения закрытых оптронов?

29.В чем особенности конструкции оптопар открытого типа?

30.Каковы технические характеристики многоэлементных приемников излучения?

31.В чем заключается метод триангуляции?

32.Опишите устройство болометра, почему в болометре применена германиевая линза?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК (ОСНОВНОЙ)

ГОСТы

1.ГОСТ 20911-90. Техническая диагностика. Термины и определения. – М.: Изд-во. стандартов, 1990. – 13 с.

2.ГОСТ 26656-85. Техническая диагностика. Контролепригодность. Общие требования. – М.: Изд-во. стандартов. 1985. – 7 с.

3.ГОСТ 27518-87. Диагностирование изделий. Общие требования.

–М.: Изд-во. стандартов, 1987. - 9 с.

4.ГОСТ 27.002-83. Надежность в технике. Термины и определения.

–М.: Изд-во. стандартов, 1989. – 18 с.

5.ГОСТ 18322-78. Система технического обслуживания и ремонта техники. Термины и определения. – М.: Изд-во. стандартов, 1986.- 14с.

6.ГОСТ 16504-81. Система государственных испытаний продукции, испытаний и контроля качества продукции. Основные термины и определения.

–М.: Изд-во. стандартов, 1981. – 18 с.

7.ГОСТ 18353-79. Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов. – М.: Изд-во. стандартов, 1979. – 19 с.

Нормативно-техническая документация

8.Инструкция по размещению, установке и эксплуатации средств автоматического контроля технического состояния подвижного состава на ходу поезда: № ЦВ-ЦШ-453. – М.: Изд-во ПКБ ЦВ МПС, 1997. – 43 с.

9.Руководство по комплексному ультразвуковому контролю колесных пар вагонов: РД 07.09-97. – М.: Изд-во ПКБ ЦВ МПС, 1997. – 90 с.

98

10.Технологическая инструкция по ультразвуковому контролю ободьев цельнокатаных колес дефектоскопом УД2-12 с устройством УСК-3: ТИ 07- 09.03-97. – М.: Изд-во ПКБ ЦВ МПС, 1997. – 15 с.

11.Магнитопорошковый метод неразрушающего контроля деталей вагонов:

РД32-159 – 2000. – М.: Изд-во ЦВ МПС, 2000. – 119 с.

12.Феррозондовый метод неразрушающего контроля деталей вагонов: РД

32.149 – 2000. – М.: Изд-во ЦВ МПС. 2000. – 154 с.

13.Вихретоковый метод неразрушающего контроля деталей вагонов: РД

32.150-2000. – М.: Изд-во ЦВ МПС, 2000. – 97 с.

14.Инструкция осмотрщику вагонов. – М.: Транспорт, 1992. – 109 с.

Учебники и учебные пособия

15.Соколов М.М. Диагностирование вагонов. – М.: Транспорт, 1990. – 197 с.

16.Ивашов В.А., Орлов М.В. Техническая диагностика вагонов: Учеб. пособие. – Екатеринбург: Изд-во УЭМИИТ, 1992. – 79 с.

17.Орлов М.В. Техническая диагностика вагонов. Руководство к контрольной

работе. – Екатеринбург: Изд-во УрГУПС, 2001. – 11 с.

18Соколов М.М., Варава В.И., Левит Г.М. Измерения и контроль при ремонте и эксплуатации вагонов. – М.: Транспорт, 1992. – 157 с.

19.Основы метрологии и электрические измерения: Учебник для вузов/Под ред. Е.М. Душина. – Л.: Энергоатомиздат, 1987. – 480с

20.Мойкин Д.А. Неразрушающий контроль в вагонном хозяйстве. Учеб. пособие. – М.: Иртранс, 2001. – 87 с.

21.Горелик А.Л., Скрипкин В.А. Методы распознавания / Изд. 2-е. М.: Высш.

школа , 1984. – 208 с.

22.Биргер И. А. Техническая диагностика. – М.: Машиностроение, 1978. – 240 с.

23.Либерман Ф. Я. Электроника на железнодорожном транспорте: Учеб. пособие для вузов ж – д трансп. – М.: Транспорт, 1987. – 288 с.

24.Якушенков Ю. Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов: Учебник для студентов вузов – М.: Машиностроение, 1989. – 360 с.

25.Трестман Е.Е., Лозинский С.Н., Образцов В.Л. Автоматизация контроля буксовых узлов в поездах. – М.: Транспорт, 1983. – 352 с.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК (ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ)

26.Коллакот Р. Диагностика повреждений: Пер. с англ. – М.: Мир, 1989. – 512 с.

27.Воинов К.Н. Надежность вагонов.- М.: Транспорт, 1980. – 110 с.

29.Лозинский С.Н. и др. Система комплексного контроля технического состояния подвижного состава на ходу поезда ДИСК-БКВ-Ц // Автоматика, телемеханика и связь. – 1986. – № 1. С. 6 – 8.

30.Орлов М.В., Тагиров А.Ф. Диагностика букс с роликовыми подшипниками // Железнодорожный транспорт. 1992. № 3. С. 36 – 39.

99