umm_465

одну сторону изделия А и В, используя отражение сигнала от противоположной (нижней) поверхности. В процессе контроля с помощью механических или электрических сканирующих устройств выполняется условие lA+ lB = const. Этот метод дает возможность точного определения координат дефекта.

В вагонном хозяйстве используют, в основном, дефектоскопы, основанные на импульсном эхо-методе. На рис 7.12 приведен пример ультразвукового контроля части оси колесной пары под ступицей колеса, т. е. зоны, недоступной для других видов дефектоскопии.

Рис. 7.12. Схема прозвучивания и вид экрана дефектоскопа при контроле зоны оси под внешней кромкой ступицы колеса наклонным пьезоэлектрическим преобразователем ПЭП (N5): 1 – задний фронт зондирующего импульса; 2 - эхо-сигнал от дефекта под

внешней кромкой ступицы колеса; 3 - эхо-сигнал от внутренней кромки ступицы коле-

са

7.11. Метод акустической эмиссии

Акустическая эмиссия (АЭ) – явление генерации упругих волн в твердых телах при их деформации. Источниками акустической эмиссии являются процессы скольжения и разрушения в кристаллах материала вследствие его пластического деформирования, разрыва связей и роста трещин под действием накопленной упругой энергии. Метод акустической эмиссии основан на регистрации и анализе акустических волн, вызванных динамической локальной перестройкой структуры материала в процессе развития трещин в объекте контроля.

При деформации кристаллической решетки сигналы эмиссии имеют небольшую амплитуду. Разрывы кристаллической решетки в результате появления и роста трещины генерируют импульсы АЭ достаточно большой амплитуды для возможности их обнаружения виброакустическими датчиками. Схема распределения энергии при росте трещины представлена на рис. 7.13. Связь энергии АЭ с параметрами роста трещины определяется формулой

80

где К – коэффициент концентрации напряжений на вершине трещины; Е – модуль упругости;

L – приращение длины трещины.

Число излучаемых импульсов пропорционально К4. Небольшие приращения трещины генерируют до 1000 импульсов на 1 мм в зависимости от микроструктуры материала.

3 4

6 7

Рис. 7.13. Схема распределения энергии при росте трещины:1 – рост трещины; 2 – выделившаяся энергия; 3 – распределение энергии; 4 – энергия упругой деформации кристаллической решетки; 5 – затраты энергии на образование новой поверхности; 6 – волна напряжения; 7 – звуковая энергия.

Акустико-эмиссионный контроль технического состояния обследуемых объектов проводится при создании в объекте контроля напряженного состояния которое превышает рабочее напряжение на 10-20%. В качестве первичных преобразователей акустической эмиссии (ПАЭ) используются пьезоэлектрические датчики. Для обнаружения сигналов АЭ используют пьезоэлектрические датчики в диапазоне частот от 0,1 до 0,7 МГц. ПАЭ устанавливаются на поверхности объекта контроля и преобразуют упругие волны, распространяющиеся в объекте контроля от источников АЭ, в электрические сигналы. По разности времен прихода АЭ сигналов на ПАЭ определяют координаты областей объекта контроля с источниками сигналов акустической эмиссии.

Метод акустико-эмиссионного контроля обеспечивает обнаружение и регистрацию развивающихся дефектов, что позволяет классифицировать дефекты не только по размерам, а и по степени их опасности. Степень опасности дефекта определяется в результате статистического анализа сигналов от одного источника АЭ.

81

7.12. Оптико-электронные преобразователи

7.12.1 Общие сведения об оптико-электронных приборах

Часто проводят аналогию между датчиками, преобразователями и органами чувств человека, хотя полной аналогии быть не может. Технические системы могут получать и анализировать информацию, недоступную человеческому ощущению (ультразвук, инфракрасное излучение, рентгеновское излучение, радиоволны и др.). В то же время техническим системам пока недоступны возможности таких органов чувств, как обоняние и вкус. Несмотря на это полезно учесть тот факт, что 90% всей информации о внешней среде человек получает с помощью зрения.

Оптико-электронные системы измерений (ОЭСИ) находят все более широкое применение в различных областях техники, в том числе в области автоматизированного контроля и технической диагностики. Развиваются системы технического зрения (СТЗ), причем изображения, получаемые в СТЗ, могут иметь различную физическую природу и не всегда доступны для восприятия человеком. На рис. 7.14 представлена обобщенная структура ОЭСИ. Источник излучения создает материальный носитель полезной информации – поток излучения. Источником излучения может быть сам исследуемый объект ( в нашем примере – перегретый корпус буксы). В ряде случаев поток излучения направляется на исследуемый объект, а приемная оптическая система (объектив) воспринимает поток, излучаемый объектом или отраженный от него, либо прошедший через объект, а затем направляет его на приемник излучения. Приемник преобразует оптический сигнал в электрический, который должен быть пригоден для дальнейшей обработки, анализа и принятия решения.

Реальная структура ОЭСИ бывает намного сложнее, так как следует учитывать влияние окружающей среды, фоны, шумы и различного рода помехи.

Среда распространения излучения

Аппаратура

обработки

сигналов

Регистратор

82

Рис. 7.14. Структура ОЭСИ

7.12.2. Источники оптического излучения

Распределение энергии излучения в зависимости от длины волны называется спектром излучения. Весь спектр излучения электромагнитных волн условно делится на следующие диапазоны: рентгеновский диапазон, длина волны рентгеновского излучения λ = 10-5 мкм ÷ 10-3 мкм ; оптический диапазон, длина волны оптического излучения λ = 10-3 мкм ÷ 1 мм; радиодиапазон, радиоволны длиной λ = 1мм ÷ 10000м.

Оптический спектр электромагнитных колебаний в свою очередь подразделяется на области: ультрафиолетового (УФ) излучения с длиной волны

λ= 10-3 мкм ÷ 0,4 мкм; светового (видимого) излучения с длиной волны

λ= 0,4 мкм ÷ 0,76 мкм и инфракрасного (ИК) излучения с длиной волны

λ= 0,76 мкм ÷ 1мм.

Весь спектр оптического излучения определяется энергетическими величинами. Основной энергетический параметр оптического излучения – поток излучения Фе – средняя мощность, переносимая оптическим излучением за время, значительно большее периода электромагнитных колебаний.

Источник излучения характеризуется спектральным распределением потока излучения. В каждом интервале длины волны dλ имеем мощность оптического излучения Фе(λ), тогда поток источника излучения будет равен

Световое излучение, т. е. излучение, видимое человеческим глазом, характеризуется фотометрическими величинами. Глаз по-разному воспринимает излучение волн различной длины. Если для некоторого излучателя измерить поток излучения Феλ в малом диапазоне длины волны Δλ и определить световой поток, т. е. поток, воспринимаемый глазом в том же диапазоне Фvλ, то отношение этих потоков определит спектральную световую эффективность:

Кλ = ФФvλ . (7.13)

еλ

Поток излучения Фе, как энергетическая величина, измеряется в Вт, а световой поток Фv – в люменах, лм (люмен – излучение абсолютно черного тела при температуре затвердевания платины с площади 5,305 10-7 м2). Отношение Кλ к световому эквиваленту потока излучения для дневного света Кm= 683 лм/Вт называется спектральной чувствительностью глаза Vλ :

83

Максимум Vλmax соответствует λ= 0,555мкм. Аналогично потоку излучения световой поток будет равен

Кроме светового потока в светотехнике используют следующие фотометрические величины.

Сила света, I – плотность светового потока, т.е. отношение светового потока Фv к телесному углу Ω, в котором он распространяется. Единица измерения силы света кандела = лм/ср:

Телесный угол Ω - это часть пространства, ограниченная конической поверхностью, измеряется в стерадианах. Стерадиан равен телесному углу с вершиной в центре сферы радиусом r , вырезающему на поверхности сферы площадь S, равную r2. Телесному углу 1 ср соответствует плоский угол 65° 32′.

S=r2

r

Рис. 7.15. Определение телесного угла

Условимся индексом 1 обозначать элементы и параметры, относящиеся к излучателю, а индексом 2 – к облучаемому объекту.

Освещенность, Еv – отношение светового потока dФv, падающего на

Освещенность может быть выражена через силу света:

где β - угол направления излучения к нормали N поверхности;

l – расстояние от освещенной площадки dА2 до источника света. Светимость, Mv – поверхностная плотность излучаемого потока, мо-

жет характеризовать как сам источник излучения, так и поверхности, пропускающие, рассеивающие или отражающие световой поток (плафоны, светильники). Единица измерения светимости лм/м2:

Яркость, Lv – поверхностная плотность силы света dIα светящейся поверхности dА1 в заданном направлении. Единица измерения яркости кд/м2:

Источники излучения с непрерывным спектром – тепловые (излучение в результате теплового возбуждения частиц вещества – атомов, молекул, ионов, которое происходит хаотично, несогласованно по времени, фазе и по направлению).

Источниками излучения с полосовым и линейчатым спектрами являются:

-люминесцентные излучатели;

-светодиоды;

85

- лазеры.

Светоизлучающий диод (светодиод). Принцип работы светодиода основан на том, что при прямом включении происходит инжекция электронов из высокоэнергетической зоны проводимости (n-область) через запрещенную зону шириной W на низкоэнергетическую валентную зону (р-область), при этом выделяется фотон, энергия которого равна приблизительно ширине запрещенной зоны W (в электрон-вольтах). Принцип действия светодиода представлен на рис. 7.17. Длина волны излучения:

где h – постоянная Планка (6,626 10-34, Дж с);

с – скорость распространения излучения, м/с.

Длина волны зависит от полупроводникового материала, представляющего соединения галлия Ga, алюминия Al, мышьяка As, фосфора P и различных примесей, что позволяет получить свечение различного цвета, а также инфракрасное излучение.

W

Рис. 7.17. Принцип работы светодиода

Существуют светодиоды переменного цвета свечения. Базовую область выполняют в виде сферы, а для направленного излучения применяют линзы. Светодиоды малоинерционны, время переключения 10-9с. На рис. 7.18 представлены схема включения и характеристика светодиода.

2 U,B

86

Рис. 7.18. Схема включения (а) и характеристика (б) светодиода

Лазер является источником когерентного (одинакового по фазе и частоте) излучения атомов. Принцип работы лазера состоит в том, что на элементарный излучатель, находящийся в возбужденном состоянии, воздействует электромагнитная волна, частота которой совпадает с частотой возбуждения (рис. 7.19).

Накачка

Рис. 7.19. Принцип работы лазера

В результате излучение генерируется в одном направлении с одинаковой частотой и фазой – когерентное излучение, которое, распространяясь в активной среде, усиливается (накачка).

Часть излучаемого потока отражается от полупрозрачного зеркала и по пути к зеркалу 1 усиливается внешним источником энергии (накачка) и таким образом поддерживается инверсионное состояние активной среды. Излучение лазера имеет ряд свойств, имеющих важное значение для реализации оптических методов технической диагностики:

1– малая расходимость излучения (высокая апертура) 0,003°;

2– монохроматичность и когерентность;

3– возможность управлять длительностью импульса излучения, при

сверхмалой длительности до 10-13с можно получить огромную мощность – до

1020МВт.

Основные типы лазеров:

–твердотельный лазер, активная среда – диэлектрический кристалл, рубин. Применяется оптическая накачка в виде газоразрядных ламп или вспомогательного лазера;

–газовый лазер, активная среда – разреженный газ, накачка осуществляется тлеющим или дуговым электрическим разрядом;

–полупроводниковые лазеры бывают двух видов: первый – из арсенида галлия GaAs, сульфида кадмия CdS с накачкой электронным пучком, при этом требуется интенсивное охлаждение. Второй – инжекционный лазер изготовлен, как правило, из арсенида галлия GaAs, грани, перпендикулярные плоскости n – p-перехода отполированы и выполняют роль зеркал оптического резонатора. Под действием прямого напряжения электроны переходят из зоны проводимости в валентную зону и возникает лазерное излучение (рис. 7.20).

87

Миниатюрные инжекционные лазеры имеют линейные размеры до 1мм и дают мощность излучения в непрерывном режиме до 10 мВт, а в импульсном режиме – до 100 мВт.

n излучение

p

+

Рис 7.20. Схема полупроводникового лазера

7.12.3. Приемники излучения

Приемник излучения (ПИ) – устройство, предназначенное для преобразования оптического излучения в электрический сигнал, кроме того ПИ может выполнять функции анализа размеров изображения, определения его координат и других параметров. В качестве приемников излучения используют электровакуумные и полупроводниковые приборы.

Фотоэмиссионные приемники бывают вакуумные и газонаполненные, принцип работы основан на эмиссии электронов под действием падающего излучения. На рис. 7.21 показаны устройство, схема включения и характеристики

фотоэлемента (ФЭ).

_

Рис. 7.21. Устройство (а), схема включения (б) и характеристики (в) фотоэлемента

88

В стеклянном баллоне 1 фотоэлемента размещены два электрода. Катод 2 нанесен на внутреннюю поверхность баллона тонким светочувствительным слоем. Анод 3 выполнен в форме кольца, сетки или диска, электроды имеют выводы 4 и 5. При определенном значении анодного напряжения UA и светового потока Ф наступает режим насыщения. Недостатком фотоэлемента является малый ток фотоэмиссии. Для устранения этого недостатка разработаны фото-

электронные умножители.

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) представляет собой электровакуумный прибор, в котором фототок катода усиливается посредством вторичной эмиссии с дополнительных электродов – динодов. С целью повышения чувствительности ФЭУ изготавливают многоступенчатым, как показано на рис. 7.22. Многоступенчатый ФЭУ кроме катода К и анода А имеет умножительную систему динодов Д1 – Дn и электронно-оптическую систему ФС. Световой поток Ф, попадая на фотокатод К, вызывает фотоэмиссию электронов, которые фокусируются электронно-оптической системой ФС на динод Д1, выбивая с него вторичный поток электронов. На каждый последующий динод подается все более высокий потенциал. С последнего динода Дn усиленный поток электронов поступает на анод А. Многоступенчатый ФЭУ позволяет регистрировать слабые сигналы светового потока Фу=10 -13 лм.

Рис. 7.22. Схема включения многоступенчатого ФЭУ

К недостаткам ФЭУ следует отнести необходимость иметь высокое стабилизированное питающее напряжение сотни вольт и большие габариты.

В настоящее время широко применяются полупроводниковые фотоэлектрические приборы: фоторезисторы (ФС); фотодиоды (ФД); фототранзисторы (ФТ); фототиристоры (ФТР).

Фоторезистор – это полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от интенсивности и спектрального состава, воздействующего на него светового потока. Фоторезистор представлен

89