УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ПОВЕРХНОСТИ ОБЪЕКТА Российский патент 1997 года по МПК G01N21/86 

Изобретение относится к метрологии измерению физических параметров и состояния объекта.

Известно устройство для неразрушающего контроля поверхности объекта, содержащее источник лазерного излучения с формирующей оптической системой и приемник оптического (теплового) излучения с фокусирующей оптической системой, оптически связанные с поверхностью объекта и устройство обработки информации, соединенные с выходом приемника [1]
Недостатками данного устройства являются низкий контраст теплового изображения дефектов, например, трещин, не превышающий 2 и относительно большое время изменения (для одной точки не менее 0,1 c, что связано с постоянной интегрирования) и как следствие малое пространственное разрешение приблизительно 0,5 мм.

Известно также устройство для неразрушающего контроля поверхности объекта, содержащее источник лазерного излучения с формирующей оптической системой, приемник оптического излучения с фокусирующей оптической системой, оптически связанные с поверхностью объекта, сканирующую систему и устройство обработки информации, соединенные с выходом (прототип) приемника [2]
Недостатком данного устройства является низкая пространственная разрешающая способность приблизительно 0,4 мм из-за того, что регистрация теплового поля (температуры) производится последовательно во времени со скоростью, существенно меньшей скорости движения тепловой волны (ТВ), при этом тепловое поле вследствие термодиффузии имеет симметричное распределение, что приводит к уширению пространственного спектра теплового поля и ухудшению пространственного разрешения.

Целью изобретения является увеличение пространственной разрешающей способности.

Существенными признаками, общими с наиболее близкими аналогом, являются: источник электромагнитного излучения, формирующая оптическая система, приемник оптического излучения с фокусирующей оптической системой, оптически связанный с поверхностью объекта, блок обработки информации, соединенный с выходом приемника, и блок сканирования, механически связанный с объектом.

Цель достигается расположением осей формирующей и фокусирующей систем перпендикулярно по направлению оси перемещения сканирующего устройства, использованием в качестве формирующей оптической системы цилиндрической линзы и выполнения блока сканирования в виде системы линейного перемещения объекта в направлении, перпендикулярном оси формирующей оптической системы, оптической связью приемника измерения через фокусирующую оптическую систему с участком поверхности объекта, расположенным по ходу линейного перемещения перед зоной взаимодействия источника излучения с поверхностью объекта, при этом ось участка параллельна оси цилиндрической линзы, а также тем, что в качестве приемника использован матричный приемник, ось расположения элементов которого параллельна оси цилиндрической линзы.

На чертеже приведено предлагаемое устройство.

Предлагаемое устройство 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 3 оптического ИК-излучения может быть выполнен в виде матричного приемника с осью расположения элементов параллельной оси цилиндрической линзы 2.

Ось цилиндрической линзы 2 расположена перпендикулярно вектору скорости V перемещения объекта 9.

Источник оптического излучения 1 оптически связан через формирующую оптическую систему 2 с поверхностью объекта 9. Приемник оптического излучения 3 оптически связан через фокусирующую оптическую систему 4 с поверхностью объекта 9, ее участком, расположенным по ходу линейного перемещения перед зоной взаимодействия источника 1 с поверхностью объекта 9, на расстоянии
d C₂ • a,
где a ширина полосы;
C₂ коэффициент, лежащий в пределах 1-2.

Оси I-I, II-II, III-III параллельны между собой.

Выходы чувствительных элементов приемника 4 подключены к входам аналого-цифрового преобразователя 5, выход которого соединен с соответствующим входом компьютера 6.

Вход привода перемещения 7 объекта 9 подключен к выходу блока 8 управления сканированием, вход которого подключен к управляющему выходу компьютера 6.

Формирующая оптическая система 2 может быть выполнена в виде цилиндрического объектива.

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

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

Блок сканирования 7 может быть выполнен в виде поворотного зеркала, установленного в оптическом канале между цилиндрической линзой 2 и объектом 9 и между фокусирующей системой 4 и объектом 9.

В устройство может быть введен компенсатор изменения расстояния от формирующей системы 2 до поверхности объекта 9.

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 (например источник Nd: YAG-лазер с длиной волны 1,06 мкм, приемник типа GeAu с рабочим спектральным диапазоном 5-8 мкм).

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 шириной 2a и длиной l, объект приводится в движение со скоростью V, задаваемой компьютером 6 через блок управления 8 приводу перемещения 7.

При этом поверхность и приповерхностный слои 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.

Параметры полосы выбирают из соотношения: 2a < 1.

Оптимальную скорость перемещения полосы по поверхности объекта выбирают из условия
V C₁ • (x/a),
где C₁ коэффициент, лежащий в диапазоне 1-2;
x температуропроводность материала исследуемой поверхности.

При этом пространственное разрешение выявления дефектов и неоднородностей поверхности объекта и его приповерхностного слоя определяется размером сфокусированного пучка, то есть a.

Возникающее в результате нагрева поверхности объекта в зоне полосы движущееся тепловое поле регистрируют дистанционно ИК-приемником 3 через фокусирующую оптическую систему 4. При этом используется связь между вариациями температуры на поверхности объекта T' и изменения регистрируемого потока излучения P'
P' C₀ • T³ • T',
где C₀ константа, определяемая коэффициентом излучательной способности поверхности и спектральным пропусканием электронно-оптического тракта;
T стационарная температура объекта.

Расстояние d между осями II-II и III-III выбирают из условий достижения максимального температурного контраста при оптимальной чувствительности
d C₂ • a,
где C₂ коэффициент, лежащий в диапазоне 1-2.

В процессе сканирования производят считывание сигналов с элементов приемника 3 через аналого-цифровой преобразователь 5 и регистрацию 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 одновременно со всех элементов циклически при линейной матрице приемника и одновременно при двумерной матрице, занося при этом в память компьютера трехмерную картину распределения температур на поверхности объекта, по которой судят об изменении по поверхности объекта температуропроводности, наличии дефектов (трещин, микропор, неоднородностей).

Авторами был изготовлен и испытан образец предлагаемого устройства, выполненного в соответствии со схемой, показанной на чертеже 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 Ст40 с использованием предлагаемого устройства получено пространственное разрешение 60 мкм, для прототипа полученное пространственное разрешение составило 400 мкм.

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

Использование: предназначено для измерения физических параметров и состояния поверхности объекта. Сущность изобретения: устройство содержит источник электромагнитного излучения с цилиндрической формирующей оптической системой, выполненной в виде цилиндрической линзы, приемник оптического излучения с фокусирующей оптической системой, выполненной в виде цилиндрической линзы, подключенный к блоку обработки информации, блок сканирования - систему линейного перемещения в направлении, перпендикулярном осям цилиндрических линз. Источник оптически связан с поверхностью объекта, а приемник оптически связан через фокусирующую систему с участком поверхности, расположенным по ходу линейного перемещения перед зоной взаимодействия источника с поверхностью объекта, причем продольная ось участка параллельна оси цилиндрической формирующей оптической системы. В качестве приемника использован матричный приемник с осью расположения элементов, параллельной осям цилиндрических линз. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для неразрушающего контроля поверхности объекта, содержащее источник излучения и установленные по ходу излучения формирующую оптическую систему, блок сканирования объекта, фокусирующую оптическую систему, приемник оптического излучения, выход которого связан с блоком обработки информации, отличающееся тем, что формирующая и фокусирующая оптические системы выполнены в виде цилиндрической линзы, формирующих полосу излучения шириной 2А, длиной L с осями, проходящими посредине полос, параллельными осям цилиндрических линз, при этом 2А << L, блок сканирования снабжен системой линейного перемещения объекта в направлении, перпендикулярном к осям цилиндрических линз, со скоростью, определяемой из условия V C₁(x/a), где C₁ - коэффициент, лежащий в диапазоне 1 2, x температуропроводность материала объекта, а расстояние между осями, проходящими посредине полос, полученных на объекте, равно d C₂ • a, где C₂ коэффициент, лежащий в диапазоне 1 2. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве приемника оптического излучения использован матричный приемник с осью расположения элементов, параллельной осям цилиндрических линз.