СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ПОВЕРХНОСТИ Российский патент 1997 года по МПК G01N21/86 

Изобретение относится к метрологии, именно к измерению физических параметров и состояния объектов.

Известен способ неразрушающего контроля поверхности объекта, в котором на поверхность объекта воздействуют модулированным лазерным излучением с ограниченным числом гармоник и анализируют температуру в зоне вблизи зоны воздействия с использованием приемника теплового излучения, при этом регистрация сигнала с приемника о температуре производится путем синхронного детектирования на частоте модуляции пучка излучения или на одной из его гармоник [1]
Недостатками данного способа являются низкий контраст теплового изображения дефектов, например трещин, не превышающий 2, относительно большое время измерения (для одной точки не менее 0,1 с, что связано с постоянной интегрирования) и как следствие малое пространственное разрешение 0,5 мм.

Известен также способ неразрушающего контроля поверхности объекта, в котором на поверхность объекта воздействуют импульсом электромагнитного (оптического) излучения, нагревающего ограниченную область поверхности объекта, и одновременно регистрируют распределение температур вблизи зоны области нагрева с использованием сканирующего устройства с приемником теплового излучения, по полученному распределению температур судят о теплофизических свойствах поверхности объекта и ее дефектах [2]
Недостатком данного способа является невысокое пространственное разрешение 0,4 мм, обусловленное тем, что при сканировании (со скоростью существенно меньше скорости тепловой волны) тепловое поле вследствие термодиффузии имеет симметричное распределение (пространственный спектр теплового поля уширен). Кроме того, последовательное во времени считывание информации о температуре в точках теплового поля приводит, вследствие растекания тепла по поверхности объекта, также к ухудшению пространственного разрешения.

В качестве прототипа выбран наиболее близкий к предлагаемому способ (см. Патенте PCT/GB 91/0072, 1991).

Целью изобретения является увеличение пространственной разрешающей способности.

Существенными признаками, общими с наиболее близким аналогом являются:
воздействие на поверхность объекта пучком электромагнитного излучения;
регистрация распределения температуры поверхности вблизи зоны взаимодействия, по результатам которой судят о физических параметрах и состоянии поверхности объекта.

Цель достигается тем, что пучок в зоне взаимодействия формируют в виде полосы длиной L и шириной 2a с учетом соотношения 2a < L, полосу перемещают по поверхности объекта, а регистрацию температуры производят перед полосой по ходу перемещения на расстоянии от центра полосы
d c•a,
где c коэффициент, лежащий в диапазоне 1 2.

Измерения температуры могут проводиться на различных расстояниях d от центра полосы, лежащих в диапазоне a < d < 2a одновременно, что приводит к увеличению точности измерения температуры, а следовательно к увеличению пространственного разрешения.

На чертеже приведена схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Предлагаемый способ состоит в следующем: пучок электромагнитного (оптического) излучения от источника формируют цилиндрической оптической системой 2 и направляют на поверхность объекта 9, на которой образуется нагретая до температуры, на 1 10^oC превышающей температуру окружающей среды, в виде полосы с размерами
2a < L,
где a полуширина полосы; L длина полосы.

Нагреваемую полосу перемещают по поверхности объекта 9 (перемещая объект или полосу), одновременно регистрируют температуру в зоне перед полосой по ходу перемещения на расстоянии
d c•a,
где c коэффициент, лежащий в диапазоне 1 2.

Регистрацию температуры проводят в полосе, параллельной нагреваемой полосе, на оси II-II, измеряя температуру или интенсивность инфракрасного (ИК) излучения в отдельных зонах, расположенных по оси полосы на оси III-III.

Измерения температуры могут производиться на различных расстояниях d от центра полосы, лежащих в диапазоне a < d < 2a одновременно.

После проведения регистрации по полученному распределению температур во времени судят о физических параметрах и состоянии (дефектах) поверхности объекта и его приповерхностного слоя.

Перемещение полосы нагревающего излучения может осуществляться как линейным перемещением объекта, так и перемещением оси пучка измерения в пространстве.

Оптимальная скорость перемещения полосы V определяется из условия
V C₁•(x/a),
где C₁ коэффициент, значения которого лежат в диапазоне 1 2;
x температуропроводность материала исследуемой поверхности.

При этом пространственное разрешение выявления дефектов и неоднородностей поверхности объекта и его приповерхностного слоя определяется поперечным размером сфокусированного лазерного пучка, т. е. a.

Возникающее в результате воздействия нагревающего пучка тепловое поле на поверхности объекта регистрируют дистанционно с использованием линейного или матричного ИК приемника с использованием связи между вариациями температуры на поверхности объекта T' и изменением регистрируемого потока ИК излучения P':
P' C₀•T³•T',
где C₀ константа, определенная коэффициентом излучательной способности поверхности и спектральным пропусканием электронно-оптического тракта;
T стационарная температура объекта.

Оптимальное расположение поля зрения (полосы) ИК приемника определяется из условия достижения максимального температурного контраста при оптимальной чувствительности. Решение трехмерного уравнения теплопередачи с учетом этих условий и дает значение
d c•a,
что и позволяет увеличить рабочее значение контраста в несколько раз.

Устройство, выполненное в соответствии с предлагаемым способом, содержит источник электромагнитного, в том числе оптического, излучения 1, формирующую оптическую систему 2, выполненную в виде цилиндрической линзы, приемник оптического (инфракрасного ИК) излучения 3, фокусирующую оптическую систему 4, блок сканирования, состоящий из привода перемещения 7 и блока управления сканированием 8, а также блок обработки информации, состоящий из многоканального аналого-цифрового преобразователя 5 и компьютера 6.

Приемник 5 оптического (ИК) излучения может быть выполнен в виде матричного приемника с осью расположения элементов параллельной оси цилиндрической линзы 2.

Ось I-I цилиндрической линзы 2 расположена перпендикулярно вектору скорости V перемещения объекта 9. Оси I-I, II-II, III-III параллельны между собой.

Источник оптического излучения 1 оптически связан через формирующую оптическую систему 2 с поверхностью объекта 9.

Привод блока сканирования 7 может быть выполнен в виде шаговых двигателей, а блок управления 8 в виде формирования импульсов управления этими двигателями.

В устройство может быть введен измеритель мощности источника излучения 1, выход которого подключен к компьютеру 6 через соответствующие преобразователи.

Спектральные диапазоны излучения источника 1 и приемника 3 должны существенно различаться для получения высокой помехоустойчивости.

Приемник 3 оптического излучения может быть выполнен как в виде линейки приемников, так и в виде двухмерной матрицы, одна из осей которой параллельна оси I-I, а другая перпендикулярна ей.

В устройство может быть введен блок автоматической фокусировки излучения источника 1 и приемника 3.

Предлагаемое устройство работает следующим образом: пучок непрерывного излучения, например лазерного, от источника 1 проходит через формирующую оптическую систему 2 и фокусируется на поверхности объекта 9 в виде полосы длиной 2a и шириной L, объект 9 приводится в движение со скоростью V, задаваемой компьютерном 6 через блок управления 8 приводу перемещения 7, с учетом приведенного выше соотношения.

При этом поверхность и приповерхностный слой объекта 9 нагреваются в зоне взаимодействия пучка излучения с объектом до температуры, на 1 10^oC превышающей температуру окружающей среды, и возникает тепловая волна, распространяющаяся по поверхности объекта во все стороны.

Возникающее в результате нагрева поверхности объекта в зоне полосы движущееся тепловое поле регистрируют дистанционно ИК приемником 3 через фокусирующую оптическую систему 4. В процессе сканирования производят считывание сигналов с элементов приемника 3 через аналого-цифровой преобразователь 5 и регистрируют (запоминают) их в компьютере 6 в его памяти.

При этом должны выполняться условия:
dt₁ < a/V
при параллельном считывании,
dt₂ < a•(V/N)
при последовательном считывании,
где N число элементов приемника;
dt₁, dt₂ интервалы времени, требуемые для считывания значения сигнала с отдельного элемента.

Считывание последовательности серии измерений производят циклически, занося при этом в память компьютера трехмерную картину распределения температур на поверхности объекта, по которой судят об изменении по поверхности объекта температуропроводности и о наличии дефектов (трещин, микропор, неоднородностей).

Был изготовлен и испытан опытный образец предлагаемого устройства, выполненного в соответствии с предлагаемым способом и изложенным выше описанием.

В качестве источника использован лазер типа ЛТН-502.

В качестве приемника приемник типа ФД-286.

Аналого-цифровой преобразователь типа L-205.

Привод сканирования двигатель типа ШДА-3Ф с редуктором.

Компьютер типа АТ/286.

При испытаниях образца из материала сталь Ст 40 с использованием предлагаемого устройства получено пространственное разрешение , для прототипа полученное пространственное разрешение составило мкм.

Предлагаемое устройство может быть использовано в технологических процессах, требующих контроля характеристик поверхности объекта.

Использование: предназначен для измерения физических параметров и состояния поверхности объекта. Сущность изобретения: способ состоит в воздействии на поверхность объекта сфокусированным в виде полосы длиной L и шириной 2a оптическим излучением, перемещении полосы по поверхности объекта и регистрации температуры перед полосой по ходу перемещения на расстоянии d = c•a, где c - коэффициент, лежащий в пределах 1 - 2. Измерение температуры может проводиться на различных расстояниях d от центра полосы, лежащих в диапазоне a < d < 2a одновременно. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ неразрушающего контроля поверхности объекта, состоящий в воздействии на поверхность объекта пучком электромагнитного излучения и регистрации распределения температуры поверхности вблизи зоны воздействия пучка, по результатам которой судят о физических параметрах и состоянии поверхности объекта, отличающийся тем, что пучок излучения в зоне воздействия формируют в виде полосы длиной L и шириной 2а с учетом соотношения 2а << L, при этом полосу перемещают по поверхности объекта, а регистрацию температуры проводят перед полосой по ходу перемещения на расстоянии d C • a от центра полосы, где C 1 2 коэффициент. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что регистрацию температуры проводят на различных расстояниях d от полосы, лежащих в диапазоне a < d < 2a одновременно.