СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ НЕОДНОРОДНОСТИ ПРОЗРАЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2008 года по МПК G01N29/04 

Предлагаемое изобретение относится к области контроля оптических свойств материалов, их неоднородности и состава.

Известен способ регистрации включений в оптически прозрачных материалах, заключающийся в облучении исследуемого материала лазером и регистрации вторичного оптического излучения от постороннего включения, возникающего за счет его нагрева (1). Известный способ позволяет контролировать включения лишь из узкого перечня возможных материалов.

Известен способ диагностики прозрачных материалов, заключающийся в сканировании поверхности материала импульсным лазерным излучением и регистрации ультразвуковых волн, возникающих от воздействия лазерного излучения (2). Известно также устройство для реализации данного способа, содержащее импульсный лазер, связанный с механической системой сканирования, импульсный источник питания, а также линейку из ультразвуковых датчиков и индикатор (2). Данные способ и устройство взяты нами за прототип по совокупности существенных признаков. К сожалению, упомянутое устройство предназначено для контроля дефектов самого материала и теоретически способно выявить включения лишь одного типа.

Сущность изобретения

Предлагаемые способ и устройство решают задачу нахождения в прозрачном материале и определения параметров включений широкого класса веществ. При этом сохраняется бесконтактность и обеспечивается высокая точность контроля.

Для достижения поставленных задач в известном способе, заключающемся в сканировании материала импульсным лазерным излучением и регистрации ультразвуковых волн, возникающих от теплового воздействия лазерного излучения, одновременно со сканированием перестраивают диапазон оптического излучения в инфракрасном и видимом диапазонах, увеличивая частоту от импульса к импульсу, и при возникновении акустического отклика останавливают оптическую перестройку частоты, оставляя геометрическое сканирование в малом диапазоне в районе возникновения акустического отклика. Материал неоднородности определяют по частоте лазерного излучения, а ее размеры и форму - по форме акустического импульса.

Для достижения поставленных задач в известном устройстве, содержащем импульсный лазер, связанный с механической системой сканирования и импульсным источником питания, а также линейку ультразвуковых датчиков, привод материала и индикатор, импульсный лазер делают перестраиваемым по частоте, а в устройство вводят модулятор, устройство анализа, линейку матриц обозначения включений и устройство управления. При этом устройство управления соединено через модулятор с частотно-перестраиваемым лазером, импульсным источником питания, механической системой сканирования, приводом материала и двойной приемо-передающей линией с устройством анализа, входы которого соединены с линейкой ультразвуковых датчиков, а выходы - с индикатором и линейкой матриц обозначения включений.

Из уровня техники нам не известны способ и устройство для диагностики материалов с такой совокупностью существенных признаков. Это позволяет считать заявленные «способ» и «устройство» отвечающими условиям патентноспособности «новизна» и «изобретательский уровень».

Возможность реализации изобретения

На фиг.1 показано расположение основных элементов устройства для диагностики неоднородности прозрачных материалов. Оно содержит импульсный, перестраиваемый по частоте лазер 1, закрепленный на системе механического сканирования 2, исследуемый материал 3 с приводом его протяжки 4, линейку матриц 5 для нанесения меток расположения включений и линейку ультразвуковых приемников 6, расположенных друг за другом с обратной стороны материала.

На фиг.2 показана функциональная схема устройства. Она содержит уже перечисленные элементы 1-6, а также устройство управления 7, соединенное с импульсным источником питания 8, модулятором 9 и двойной приемо-передающей линией - с устройством анализа 10, которое, в свою очередь, соединено с индикатором 11.

На фиг.3 показаны эпюры напряжений на элементах устройства. Эпюра В показывает напряжение на системе сканирования 2, эпюра С - на выходе модулятора 9. Эпюра D - импульсы лазера, Е - общее напряжнение с линейки ультразвуковых датчиков, М - управляющее напряжение на печать матрицы положения включения.

Способ диагностики неоднородности реализуется следующим образом. Устройство управления 6 синхронно включает систему сканирования 2 (эпюра В, фиг.3), модулятор 9 (эпюра С), импульсный источник 8 лазера (эпюра D), привод протяжки исследуемого материала Е. За время перемещения одного цикла система сканирования 2 повернет лазер 1 на угол @, чтобы его луч, скользя по поверхности материала 3, прочертил по нему наклонную линию L (фиг.1), так как материал одновременно перемещается вниз (стрелка Р). Геометрически луч лазера переместится по прямой линии, соответствующей положению линеек матриц обозначения включений 5 и ультразвуковых датчиков 6. За это же время частота импульсов лазера многократно, в данном случае - 10 (эпюра С, фиг.3), перестроится по всему спектру излучения.

В случае, если в каком-либо месте материала на полосе сканирования появляется инородное включение, ближайший к месту нахождения включения акустический датчик линейки 6 зарегистрирует ультразвуковой импульс (эпюра Е, фиг.3), возникший на частоте F₀ оптического излучения лазера. В это время (t₀) устройство управления 7 останавливает привод перемещения 4 материала 3 и модулятор 9, а систему сканирования 2 переводит в режим малого перемещения в месте обнаружения включения. В результате на одном из входов устройства анализа 10 возникнут импульсы (эпюра Е, фиг.3), отражающие геометрию включения. Устройство анализа 10 на базе информации о положении светового пятна лазера на материале и частоте его излучения даст исчерпывающую информацию о материале включения и его характеристиках, которая отображается на индикаторе 11 и элементе линейки матриц 5, находящихся вблизи элемента ультразвукового датчика 6, на котором возник максимальный сигнал, т.е. вблизи включения, обнаруженного в материале. Устройство анализа дает сигнал печати на элемент линейки матрицы 5 (эпюра М, фиг.3), и тот прижимается к поверхности материала 3 в месте расположения включения, оставляя на поверхности материала метку о параметрах включения (штрихкод), которая в случае необходимости может быть считана стандартными устройствами.

После обозначения элементом матричной линейки 5 места расположения включения на материале 3 устройство управления 7 дает команду на поисковый режим работы всего устройства, включается привод протяжки исследуемого материала 4. Система механического сканирования луча лазера возобнавляет пилообразное перемещение пятна зондирования по исследуемому материалу, модуляцию частоты излучения лазера 1, включает импульсный режим его работы.

Поисковый режим продолжается до обнаружения следующего включения, после чего весь цикл детального исследования параметров включения и обозначения его места на поверхности материала повторяется.

В конечном итоге на индикаторе 11 отображается вся информация об обнаруженных и пронумерованных включениях на поверхности материала, а на приемной бобине привода 4 остается исследуемый материал с обозначенными на нем местами нахождения включений в виде матричного кода, содержащего информацию о параметрах включения.

Источники информации

1) Авторское свидетельство СССР №1050356, кл. G01N 21/63.

2) Патент США №4338822, кл. 73/643.

Изобретение используют для диагностики неоднородности прозрачных материалов. Сущность изобретения заключается в том, что сканируют материал импульсным лазерным излучением и регистрируют ультразвуковые волны от теплового воздействия лазерного излучения, при этом одновременно со сканированием перестраивают диапазон оптического излучения в инфракрасном и видимом диапазонах, увеличивая частоту от импульса к импульсу, и при возникновении акустического отклика останавливают оптическую перестройку частоты, оставляя геометрическое сканирование в малом диапазоне, в районе возникновения акустического отклика, материал неоднородности определяют по частоте лазерного излучения, а ее размеры и форму - по форме акустического импульса. Технический результат - обеспечение высокой точности определения параметров включений широкого класса веществ в прозрачном материале. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ диагностики неоднородности прозрачных материалов, заключающийся в сканировании материала импульсным лазерным излучением и регистрации ультразвуковых волн от теплового воздействия лазерного излучения, отличающийся тем, что одновременно со сканированием перестраивают диапазон оптического излучения в инфракрасном и видимом диапазоне, увеличивая частоту от импульса к импульсу, и при возникновении акустического отклика останавливают оптическую перестройку частоты, оставляя геометрическое сканирование в малом диапазоне, в районе возникновения акустического отклика, материал неоднородности определяют по частоте лазерного излучения, а ее размеры и форму - по форме акустического импульса.2. Устройство для диагностики прозрачных материалов, содержащее импульсный лазер, связанный с механической системой сканирования и импульсным источником питания, а также линейку ультразвуковых датчиков, индикатор и привод материала, отличающееся тем, что импульсный лазер является перестраиваемым по частоте, при этом в устройство для диагностики прозрачных материалов введены устройство анализа, линейка матриц обозначения включений, модулятор и устройство управления, устройство управления соединено через модулятор с частотно-перестраиваемым лазером, импульсным источником питания, механической системой сканирования, приводом материала и двойной приемо-передающей линией - с устройством анализа, входы которого соединены с линейкой ультразвуковых датчиков, а выходы - с индикатором и линейкой матриц обозначения включений.