СПОСОБ ДВУХСПЕКТРАЛЬНОЙ ИМПУЛЬСНО-ЧАСТОТНОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ Российский патент 1998 года по МПК G01N25/72 

Изобретение относится к неразрушающему контролю качества поверхности непрозрачных твердых материалов и может быть использовано при производстве изделий электронной техники.

Известен способ измерения коэффициента температуропроводности твердых материалов, качества покрытия поверхностных слоев, а также определения их толщины и других характеристик [1]. Способ сводится к облучению исследуемой поверхности модулированным по амплитуде излучением, измерении фазы тепловой волны в направлении поверхности и сопоставлении величины измеренной фазы с фиксированной фазой сигнала сравнения с эталонного образца.

Недостатки способа:
- измеряется только одна величина, например, толщина поверхностного слоя или глубина залегания дефекта при известном коэффициенте температуропроводности материала слоя;
- область применения способа ограничения образцами больших размеров из-за применения термодатчиков для измерения фазы тепловой волны.

Известен способ импульсной видеотермографии [2]. Сущность способа состоит в том, что образцу сообщается тепловой импульс и в случае наличия дефектов в объеме (поры, включая и т.п.) на его поверхности возникают соответствующие изменения температуры. Устройство, осуществляющее способ, содержит источник теплового импульса, например, лазер, нагревающий исследуемый образец, ИК фотоприемник и устройство видеозаписи теплового изображения поверхности образца, покадровое воспроизведение которого позволяет обнаружить имеющиеся дефекты.

Недостатки способа:
- область способа ограничена, т.к. он не позволяет исследовать дефекты в образцах с неизвестными и неоднородными теплофизическими параметрами и излучательной способности;
- способ не дает возможности определить теплофизические параметры исследуемых образцов, т.к. фотосигнал одного спектрального диапазона является сложной функцией, по меньшей мере, четырех параметров - коэффициента температуропроводности, теплопроводности, глубины залегания дефектов и излучательно1 способности образца, - три из которых должны быть известны, например, для определения глубины залегания дефекта.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ ИК дефектоскопии [3]. Сущность способа состоит в том, что на поверхность образца подается тепловой импульс от источника тепловых импульсов, например, от лазера, и регистрируют синхронно и независимо фотосигналы I₁, I₂ и скорости их изменения dI₁/dτ, dI₂/dτ в двух спектральных диапазонах, 2 - 5 мкм и 8 - 14 мкм, от одной и той же зоны образца, имеющего температуру в диапазоне 400 - 600К. Для этого используют двухспектральный фотоприемник типа "сэндвич" с чувствительными элементами, имеющими идентичные пространственно-частичные характеристики. Теплофизические параметры образца и глубину залегания дефектов определяют путем деления отношения (dI₁/dτ)I₁ одного спектрального диапазона на (dI₂/dτ)I₂ другого спектрального диапазона.

Недостатки способа:
- импульсный способ не позволяет различать глубоко расположенные дефекты или измерять толстые поверхностные слои; с его помощью уверенно обнаруживают дефекты в элементах электронных приборов на глубинах ≈ 150 мкм; с целью увеличения глубины "резкости изображения" применяется метод "накопления тепла", позволяющий обнаруживать дефекты на глубинах ≈ 350 мкм; однако, применение этого метода ограничено в ряде областей техники из-за роста температуры исследуемой зоны образца при многократном облучении серий лазерных импульсов; так например, использование приема "накопления тепла" недопустимо при контроле на воздухе металлопористых катодов СВЧ приборов из-за необратимых изменений физико-химических свойств их поверхности.

Техническим результатом данного изобретения является повышение чувствительности к обнаружению глубоко расположенных дефектов под поверхностью непрозрачных твердых тел, измерение толщины поверхностных слоев и их теплофизических параметров.

Технический результат достигается тем, что в известном способе двухспектральной импульсно-частотной дефектоскопии, включающем подачу на поверхность образца импульса излучения от источника, причем синхронно и независимо в спектральных диапазонах 2 - 5 мкм и 8 - 14 мкм двухспектральным фотоприемником типа "сэндвич" теплового излучения от одной и той же зоны образца, измерение в спектральном диапазоне 8 - 14 мкм фотосигнала I₂ и скорости изменения dI₂/dτ от теплового импульса с температурой T = 400 K, расчет отношения (dI₂/dτ)I₂ и определение теплофизических параметров и глубины залегания дефектов, подают на поверхность образца от источника импульсы непрерывно с высокой частотой, которые амплитудно модулированы по гармоническому закону с низкой частотой, принимают в спектральном диапазоне 2 - 5 мкм фотосигнал I₁ от теплового излучения с низкой частотой, измеряют ω_m, при которой фотосигнал I₁ будет максимальным при разности фаз 2πm между ним и модулированным излучением источника, а коэффициент температуропроводности a₁ и глубину залегания дефектов h определяют по соотношениям

где
δ - толщина дефекта на глубине h;
R - радиус чувствительной площадки элемента спектрального диапазона 2 - 5 мкм;
K - коэффициент углового увеличения оптической системы;
τ_i - момент считывания сигнала I₂ равный τ_i = dτ/2 ;
m = 1, 2, ...

Сущность предложенного способа заключается в том, что отношение двух измерительных величин, (dI₂/dτ)I₂ , устраняет из анализа излучательную способность поверхности образца в диапазоне 8 - 14 мкм и зависит только от двух параметров - коэффициента температуропроводности поверхностного слоя a₁ и его толщины h или глубины залегания дефекта. В свою очередь частота ω_m и также зависит от тех же двух параметров поверхностного слоя, что позволяет определить их из синхронных и независимых измерений в двух спектральных диапазонах.

На фиг. 1 изображена схема формирования тепловой волны на поверхности образца и регистрации от нее излучения ИК фотоприемником, где: лазер 1, двухспектральный ИК фотоприемник 2, хладагент (жидкий азот) 3, линзы 4,4', образец 5.

На фиг. 2 приведена схему устройства для ИК дефектоскопии, где: лазер 1, двухспектральный ИК фотоприемник 2, линзы 4,4', образец 5, механизм перемещения образца 6, предварительные усилители 7, демодулирующее устройство 8, дифференциатор 9, синхронный фазовый детектор 10, частотомер 11, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 12, блок накопления и отображения информации (БНО) 13, ЭВМ 14, видеоконтрольное устройство (ВКУ) 15, синхронизированный блок управления механизма перемещения 16, источник питания лазера 17.

Для пояснения сущности изобретения рассмотрим физические процессы, происходящие при осуществлении способа.

Излучение импульсного лазера 1 на порах меди ( λ₀= 0,51 мкм , частота импульсов Ω = 10 кГц , длительность ≈ 10^-8 с) модулируется через источник питания 17 по гармоническому закону, возбуждая при этом в контролируемом образце 5 импульсные широкополосные тепловые колебания Ω , так и узкополосные с частотой ω (фиг. 1).

Для установившегося гармонического процесса, т.е. при τ __→ ∞ , тепловая поверхностная волна имеет температуру

где
τ - время;
A_o - амплитуда тепловой волны;
ϕ - фаза тепловой волны;
ρ - полярная координата в плоскости образца (фиг. 1);
ρ₀ - коэффициент сосредоточенности излучения источника по пятну нагрева, см.^-1 .

Полную толщину образца l и его размеры по ρ считаем бесконечно большими по сравнению с h и ρ₀ , т.е. не учитываем теплообмен образца с внешней средой.

На прием сигнала от тепловой волны T₁₀(ϕ) в узкой полосе частот ω ± Δω настроен канал чувствительного элемента Δλ₁ = 2-5 мкм. . Гласно соотношению (1) максимальные сигналы на чувствительном элемента будут на частотах ω_m при разности фаз между источником излучения и сигналом элемента Δϕ = 2πn

где
n - 1, 2, ..., то есть это условие выполняется при дополнительном условии ρ = R/K , где R - радиус чувствительности площадки элемента, K - угловое увеличение оптической системы (линза 4), когда элемент ⊘ = 2R "видит" четное число длин волн и максимум тепловой гармонической волны приходится на границу области обзора элемента (фиг. 1).

Распределение температуры на поверхности слоя h под воздействием одиночного короткого импульса, при условии τ __→ 0 , будет иметь вид

где
E₁ - константа;
g₁ - коэффициент теплопроводности h.

Из уравнения (3) находим отношения [3]

где
I₂(τ_i) и ΔI₂/Δτ - экспериментальные значения сигнала и скорости изменения сигнала на выходе элемента "сэндвич" фотоприемника с Δλ₂ = 8-14 мкм при приеме излучения от образца с T₁₁ ≥400K (диапазон Релея-Джинса), причем τ_i = Δτ/2 .

Из двух соотношений (2) и (4), определяет по экспериментальным величинам μ₁ и ω_m два искомых параметра a₁ и h.

Допустим на границе слоев h и l имеется неидеальность теплового контакта (фиг. 1), где δ - условная толщина пограничного слоя (дефект, инородное включение и т.п.) с g_δ = (g₁+ g₂)/2 и h ≫ δ , где g₂ теплопроводность слоя l. В этом случае для установившегося гармонического процесса поверхностная тепловая волна, на излучение которой настроен элемент с Δλ₁ = 2-5 мкм имеет температуру

где
T₁₀(ν) имеет вид аналогичный (1) при замене h на h ± δ где знак зависит от того расположена ли тепловая неоднородность в слое l или h (фиг. 1);
A₁(δ),ν - амплитуда и фаза тепловой волны T₁₃(ν) , которые зависят от δ.

При A₁(δ) = 0 , а важнее при ν = ϕ , T₁₃ = 0 n T₁₂ = T₁₀, то есть δ = 0 - мелкий дефект отсутствует.

Разность фаз Δν = 2πm между излучением источника и сигналом элемента с Δλ₁ дает соотношение

где
m = 1, 2, ...

Из выражения для температуры T₁₄, возбуждаемый импульсом излучения в образце с тепловой неоднородностью δ , получаем соотношение аналогичное (4)

Для определения δ из экспериментальных данных, соотношения (6) и (7), предварительно делается калибровка μ₁ и ω_n на эталонном образце с известной h, а затем эти величины сопоставляются со значениями μ₂ и ω_m . Возможно также проводить сопоставление измеренной h ± δ с h участка исследуемого образца, выбранного в качестве сравнения, получая в этом случае относительное изображение подповерхностных тепловых неоднородностей. Принимая во внимание схему измерения (основное значение имеет тепловое сопротивление слоя h в радиальном направлении) данный способ можно применять и для идентичности дефектов, находящихся внутри слоя h.

В целом способ осуществляется следующим образом. Полученные по указанным спектрам диапазонам фотосигналы поступают через АЦП 12 в БНО 13 и одновременно обрабатываются в ЭВМ 14 (фиг. 2). На дисплее ВКУ 15 получает изображение распределения параметра a₁ по поверхности образца, либо распределение дефектов по глубине h.

Таким образом, используя предлагаемый способ, можно проводить анализ, например, твердых растворов переменного состава из разнородных по a₁ металлов либо включений второй фазы. Получать изображение распределения дефектов по глубине h или колебания по h ± δ толщины поверхностного слоя, либо выделять более мелкие тепловые неоднородности δ , которые могут быть вызваны, например, отслаиванием покрытия от подложки l.

Предлагаемый способ имеет следующие преимущества:
- регистрация фазового угла гармонической тепловой волны, при котором излучение источника и сигнал L₁ элемента Δλ₁ синхронны и максимальны по амплитуде, т. е. при разности фаз Δψ = 2πk , когда ρ = R/K (соотношения (2) и (6)) делает возможным путем выбора размера R чувствительного элемента сразу закладывать в способ потеницальную глубину обнаружения дефектов, с учетом отличия распространения тепловой волны вглубь образца от ее распространения по поверхности для образцов с определенными соотношениями по теплофизическим параметрам, a_i и g_i, а также имеющих несколько слоев h_i;
- увеличивается чувствительность элемента Δλ₁ по сравнению с прототипом, так как он принимает излучение со всей площади (ρ = R/K) , которую "видит", к тому же при условии максимума тепловой волны на границе области обзора (фиг. 1);
- увеличивается чувствительность элемента Δλ₂ , так как размер этого элемента можно уменьшить (из-за чего увеличивается его дифференциальное сопротивление, а, следовательно, уменьшится собственный шум) и существенно по сравнению с размером элемента Δλ₁ , оптимизировать его размер на время считывания (область распространения) короткого теплового импульса.

Источники информации:
1. Патент США N 4.551.030, кл. 374/5.

2. Termografia video for impulsos. Dance Brian "Mundo electron", 1987, N 179, 95-97.

3. Россия, заявка n 92-007717/25 заявитель ГНПП "Исток". Решение о выдаче патента от 11.01.95 г.

Возбуждают в образце широкополосные и узкополосные поверхностные тепловые волны. Излучение тепловых волн принимают ИК фотоприемником типа "сэндвич", чувствительным в двух спектральных диапазонах - 2 - 5 мкм и 8 - 14 мкм. Элементом чувствительным в диапазоне 2 - 5 мкм принимают излучение с низкой частотой и измеряют частоту ω_m, при которой фотосигнал максимален при разности фаз 2πm между ним и модулированным излучением источника тепловых волн. Элементом спектрального диапазона 8 - 14 мкм измеряют сигнал I₂ и скорость его изменения dI₂/dτ от теплового импульса. Тепло-физические параметры и глубины залегания дефектов определяют по ω_m и отношению (dI₂/dτ)/I₂., 2 ил.

Способ двухспектральной импульсно-частотной дефектоскопии, включающий подачу на поверхность образца импульса излучения от источника, прием синхронно и независимо в спектральных диапазонах 2 - 5 мкм и 8 - 14 мкм двухспектральным фотоприемником типа "сэндвич" теплового излучения от одной и той же зоны образца, измерение в спектральном диапазоне 8 - 14 мкм фотосигнала I₂ и скорости его изменения dI₂/dτ от теплового импульса с температурой T ≥ 400 K, расчет отношения (dI₂/dτ)/I₂ и определение теплофизических параметров и глубины залегания дефектов, отличающийся тем, что подают на поверхность образца от источника импульсы непрерывно с высокой частотой, которые амплитудно модулированы по гармоническому закону с низкой частотой, принимают в спектральном диапазоне 2 - 5 мкм фотосигнал I₁ от теплового излучения с низкой частотой, измеряют ω_m, при которой фотосигнал I₁ будет максимальным при разности фаз 2πm между ним и модулированным излучением источника, а коэффициент температуропроводности a₁ и глубину залегания дефектов h определяют по соотношениям


где δ - толщина дефекта на глубине h;
R - радиус чувствительной площадки элемента спектрального диапазона 2 - 5 мкм;
K - коэффициент углового увеличения оптической системы;
τ_i - момент считывания сигнала I₂, равный τ_i = dτ/2;
m = 1, 2, ...;
ω_m - измеряемая частота.