Сафарбаков А.М., Лукьянов А.В., Пахомов С.В. Основы технической диагностики деталей и оборудования. Часть 1

Подождите немного. Документ загружается.

(УФ), видимую и инфракрасную (ИК) области спектра с длинами волн соот-

ветственно 10

-3

... 0,38; 0,38 ... 0,78 и 0,78 ... 10

мкм.

Возникновение ОИ связано с движением электрически заряженных

частиц (электроны, атомы, ионы, молекулы). Дискретные спонтанные

или индуцированные переходы носителей зарядов с более высоких на бо-

лее низкие уровни энергии сопровождаются испусканием световых кван-

тов (фотонов) с энергией, равной разности энергий этих уровней. Энергия

фотона

E=hv,

где

h = 6,626 • 10

-34

Дж

•

– постоянная Планка;

– частота из-

лучения, Гц.

Скорость распространения ОИ в вакууме

= 299792,5

км

. В ре-

альных средах ОИ распространяется со скоростью

/n =

, v/n =

λν

где

n =

√εµ

– показатель преломления среды;

– относительные диэлектриче-

ские проницаемости среды;

, – длина волны света в вакууме и среде

соответственно.

Информационными

параметрами

ОИ

являются

пространственно

времен

ные

распределения

его

амплитуды

частоты

фазы

поляризации

степени

когерентности

Для

получения

дефектоскопической

информации

используют

изменение

этих

параметров

при

взаимодействии

ОИ

ОК

соответствии

явлениями

интерференции

дифракции

поляризации

пре

ломления

отражения

поглощения

рассеяния

дисперсии

света

также

изменение

характеристик

самого

ОК

под

действием

света

результате

эф

фектов

фотопроводимости

фотохромизма

люминесценции

электроопти

ческих

механо

оптических

(

фотоупругость

магнитооптических

акусто

оптических

других

явлений

Основными информационными параметрами объектов оптического

контроля являются их спектральные и интегральные фотометрические ха-

рактеристики, которые в общем случае зависят от строения вещества, его

температуры, физического (агрегатного) состояния, микрорельефа, угла па-

дения излучения, степени его поляризации, длины волны.

К числу дефектов, обнаруживаемых неразрушающими оптиче-

скими методами, относятся пустоты (нарушения

сплошности), рас-

слоения, поры, трещины, включения инородных тел, внутренние на-

пряжения, изменение структуры материалов и их физико-химических

свойств, отклонения от

заданной геометрической формы и т.д.

С помощью оптических методов внутренние дефекты выявляются

только в изделиях из материалов, прозрачных в оптической области спек-

тра.

Использование оптического излучения как носителя информации

перспективно. Электромагнитное поле по природе многомерно, что позво-

ляет вести многоканальную (многомерную) обработку информации одним

устройством с большой скоростью, определяемой скоростью света в дан-

ной среде.

Особенно перспективно использование резонансных эффектов

взаимодействия ОИ с ОК, в том числе нелинейных, основанных на ис-

пользовании сверхмощного лазерного излучения.

Основной характеристикой ОИ является поток излучения (мощ-

ность светового потока)

Ф = dQ/dt,

где

– энергия, Дж;

t –

время, с.

Пространственные характеристики ОИ

описываются силой из-

лучения

I = dФ/dω

(Вт/ср) (лучистый поток в единице телесного угла

dω

) и лучистостью

L = dI/dS

cosα (Вт/ср • м

) (отношение силы излуче-

ния в направлении α к проекции излучающей поверхности

на плос-

кость, нормальную этому направлению). Важной характеристикой являет-

ся плотность лучистого потока по облучаемой поверхности

Е =

Ф/dS

(Вт/м

), где

dS –

площадь облучаемого элемента.

В видимой области спектра применяют систему световых единиц,

соответствующую зрительному ощущению лучистых потоков с учетом

спектральной чувствительности глаза. Единицей светового потока яв-

ляется люмен (

1 лм = 1/683 Вт

для

– 0,55 мкм

), сила света измеряется

в канделах (кд), освещенность

– в люксах (лк), яркость –

кд/м

(1кд =

лм/ ср, 1лк = 1лм/м

Эффективность применения ОНК существенно зависит от правиль-

ности выбора геометрических, спектральных, светотехнических и времен-

ных характеристик условий освещения и наблюдения ОК. Главное при

этом – обеспечить максимальный контраст дефекта подбором углов ос-

вещения и наблюдения, спектра и интенсивности источника (непре-

рывного или стробоскопического), а также состояния поляризации и сте-

пени

когерентности света. Необходимо учитывать различия оптиче-

ских свойств дефекта и окружающей его области фона. Контраст опреде-

ляют по формуле

k=(

–

)/(

где

–

яркости объекта в областях дефекта и фона.

Аналитический расчет контраста дефектов в зависимости от опи-

санных выше факторов представляет сложную задачу, решение которой

получено пока только для простейших случаев. Поэтому необходимы экс-

периментальные спектрогонио-фотометрические и поляризационные ис-

следования оптических свойств ОК и его дефектов.

Основные

области

применения

контроль

двупреломления

других

характеристик

полупроводниковых

материалов

контроль

геометрии

полу

проводниковых

структур

(

эллипсометрия

Контроль

качества

печатных

плат

на

телевизионных

оптических

проекторах

контроль

геометрии

фо

тошаблонов

др

6.4. Магнитный вид неразрушающего контроля

Магнитный

вид

неразрушающего

контроля

применяют

основном

для

контроля

изделий

из

ферромагнитных

материалов

из

материалов

которые

способны

существенно

изменять

свои

магнитные

характеристики

под

воздействием

внешнего

(

намагничивающего

)

магнитного

поля

Опера

ция

намагничивания

(

помещения

изделия

магнитное

поле

)

при

этом

виде

контроля

является

обязательной

Съем

информации

может

быть

осуществ

лен

полного

сечения

образца

(

изделия

)

либо

его

поверхности

зависимости

от

конкретных

задач

неразрушающего

контроля

мар

ки

контролируемого

материала

требуемой

производительности

метода

могут

использоваться

те

или

иные

первичные

информативные

параметры

числу

наиболее

распространенных

относятся

следующие

информатив

ные

параметры

коэрцитивная

сила

намагниченность

индукция

(

остаточ

ная

индукция

магнитная

проницаемость

напряженность

эффект

Барк

гаузена

По

способу

получения

первичной

информации

различают

следую

щие

методы

магнитного

вида

контроля

магнитопорошковый

(

МП

магни

тографический

(

МГ

феррозондовый

(

ФЗ

эффекта

Холла

(

ЭХ

индукци

онный

(

пондеромоторный

(

ПМ

магниторезисторный

(

МР

их

по

мощью

можно

осуществить

контроль

сплошности

(

методами

дефектоско

пии

) (

МП

МГ

ФЗ

ЭХ

);

размеров

(

ФЗ

ЭХ

ПМ

);

структуры

меха

нических

свойств

(

ФЗ

ЭХ

Из

перечисленных

методов

только

магнитопорошковый

требует

обя

зательного

участия

контрольных

операциях

человека

;

остальные

методы

позволяют

получать

первичную

информацию

виде

электрических

сигна

лов

что

делает

возможным

полную

автоматизацию

процессов

контроля

Методы

МП

МГ

обнаружения

несплошностей

являются

контактными

требуют

соприкосновения

преобразователя

(

магнитный

порошок

или

магнитная

лента

)

поверхностью

изделия

;

при

остальных

методах

контро

ля

съем

информации

осуществляется

бесконтактно

(

хотя

на

достаточно

близких

расстояниях

от

поверхности

помощью

магнитных

методов

могут

быть

выявлены

закалочные

шлифовочные

трещины

волосовины

закаты

усталостные

трещины

дру

гие

поверхностные

дефекты

шириной

раскрытия

несколько

микрометров

Такие

методы

как

ФЗ

ЭХ

МГ

можно

использовать

на

грубых

поверх

ностях

при

этом

минимальная

глубина

выявляемых

дефектов

составляет

трехкратную

высоту

шероховатостей

поверхности

связи

необходимо

стью

сканировать

поверхность

изделия

методы

ФЗ

ЭХ

особенно

удобно

применять

для

контроля

цилиндрических

изделий

Метод

МГ

успешно

применяют

для

контроля

сварных

швов

Из

геометрических

параметров

помощью

магнитных

методов

наи

более

часто

определяют

толщину

немагнитных

покрытий

на

магнитной

основе

толщину

стенок

изделий

из

магнитных

немагнитных

материалов

6.5. Акустические методы контроля

Для

акустического

метода

НК

применяют

колебания

ультразвуко

вого

звукового

диапазонов

частотой

от

Гц

до

МГц

Интенсив

ность

колебаний

обычно

невелика

не

превышает

кВт

Такие

колеба

ния

происходят

области

упругих

деформаций

среды

где

напряжения

деформации

связаны

пропорциональной

зависимостью

(

область

линей

ной

акустики

Амплитуда

акустических

волн

жидкостях

газах

характеризу

ется

одним

из

следующих

параметров

•

акустическим

давлением

(

Па

)

или

изменением

давления

относи

тельно

среднего

значения

давления

среде

vcp

⋅

где

скорость

распространения

акустических

волн

;

–

плотность

среды

;

•

смещением

(

)

частиц

среды

из

положения

равновесия

процессе

колебательного

движения

;

•

скоростью

(

)

колебательного

движения

частиц

среды

∂

= ,

где

t –

время

Известно

много

акустических

методов

неразрушающего

контроля

которые

применяются

нескольких

вариантах

Классификация

акустиче

ских

методов

показана

на

рис

.6.1.

Их

делят

на

две

большие

группы

ак

тивные

пассивные

методы

Активные

методы

основаны

на

излучении

приеме

упругих

волн

пассивные

–

только

на

приеме

волн

источником

которых

служит

сам

кон

тролируемый

объект

Активные методы

делят

на

методы

прохождения

отражения

комбинированные

(

использующие

как

прохождение

так

отражение

импедансные

методы

собственных

частот

Методы прохождения

используют

излучающие

приемные

преобра

зователи

расположенные

по

одну

или

разные

стороны

контролируемого

из

делия

Применяют

импульсное

или

непрерывное

(

реже

)

излучение

Потом

анализируют

сигнал

прошедший

через

контролируемый

объект

методам

прохождения

относят

амплитудный теневой метод

основанный

на

регистрации

умень

шения

амплитуды

волны

прошедшей

через

контролируемый

объект

вследствие

наличия

нем

дефекта

(

рис

.6.2,

);

временной теневой метод

базирующийся

на

регистрации

запазды

вания

импульса

вызванного

увеличением

его

пути

изделии

при

огиба

нии

дефекта

(

рис

.6.2,

Тип

волны

при

этом

не

меняется

;

Рис.6.1. Классификация акустических видов неразрушающего контроля

Рис.6.2. Методы прохождения:

а – теневой; б – временной теневой; в – велосиметрический;

1 – генератор; 2 – излучатель; 3 – объект контроля, 4 – приемник; 5 – усилитель;

6 –

измеритель амплитуды; 7 – измеритель времени пробега; 8 – измеритель фазы

велосиметрический метод

основанный

на

регистрации

измене

ния

скорости

распространения

дисперсионных

мод

упругих

волн

зоне

дефекта

применяемый

при

одностороннем

двустороннем

доступе

кон

тролируемому

объекту

(

рис

.6.2,

этом

методе

обычно

используют

пре

образователи

сухим

точечным

контактом

варианте

односторонним

доступом

(

рис

.6.2,

вверху

)

скорость

возбуждаемой

излучателем

анти

симметричной

волны

нулевого

порядка

(

)

отделенном

дефектом

слое

меньше

чем

бездефектной

зоне

При

двустороннем

доступе

(

рис

.6.2,

внизу

)

бездефектной

зоне

энергия

передается

продольной

волной

зоне

дефекта

волнами

которые

проходят

больший

путь

распространя

ются

меньшими

скоростями

чем

продольная

волна

Дефекты

отмеча

ются

по

изменению

фазы

или

увеличению

времени

прохождения

(

только

импульсном

варианте

)

по

контролируемому

изделию

В методах отражения

применяют

импульсное

излучение

этой

подгруппе

относят

следующие

методы

дефектоскопии

Эхо-метод

(

рис

.6.3,

)

основан

на

регистрации

эхо

сигналов

от

де

фекта

На

экране

индикатора

обычно

наблюдают

посланный

(

зондирующий

)

импульс

III,

отраженный

от

противоположной

поверхности

(

дна

)

изделия

(

донный

сигнал

)

эхо

сигнал

от

дефекта

II.

Время

прихода

импульсов

III

пропорционально

глубине

залегания

дефекта

толщине

изделия

При

совмещенной

схеме

контроля

(

рис

.6.3,

)

один

тот

же

пре

образователь

выполняет

функции

излучателя

приемника

Если

эти

функ

ции

выполняют

разные

преобразователи

то

схему

называют

раздельной

Эхо-зеркальный метод

основан

на

анализе

сигналов

испытавших

зеркальное

отражение

от

донной

поверхности

изделия

дефекта

прошедших

путь

АВСД

(

рис

.6.3,

Вариант

этого

метода

рассчитанный

на

выявление

вертикальных

дефектов

плоскости

EF,

называют

методом

тан-

дем

Для

его

реализации

при

перемещении

преобразователей

поддерживают

постоянным

значение

+ I

= 2

;

для

получения

зер

кального

отражения

от

невертикальных

дефектов

значение

+ I

варьи

руют

Один

из

вариантов

метода

называемый

«косой тандем»

преду

сматривает

расположение

излучателя

приемника

не

одной

плоскости

(

рис

.6.3,

вид

плане

внизу

разных

плоскостях

но

таким

образом

чтобы

принимать

зеркальное

отражение

от

дефекта

Еще

один

вариант

на

зываемый

К-метод

предусматривает

расположение

преобразовате

лей

по

разные

стороны

изделия

например

располагают

приемник

точке

Дельта-метод

(

рис

.6.3,

)

основан

на

приеме

преобразователем

расположенным

над

дефектом

продольных

волн

излученных

преобра

зователем

для

поперечных

волн

рассеянных

на

дефекте

Рис.6.3. Методы отражения:

а – эхо; б – эхо - зеркальный; в – дельта метод; г – дифракционно - временной;

д – реверберационный;

1 – генератор; 2 – излучатель; 3 – объект контроля; 4 – приемник; 5 – усилитель;

6 – синхронизатор; 7 – индикатор

Дифракционно-временной метод

(

рис

.6.3,

котором

излучате

ли

’

приемники

’

излучают

принимают

либо

продольные

либо

поперечные

волны

причем

могут

излучать

принимать

разные

ти

пы

волн

Преобразователи

располагают

так

чтобы

получать

максимумы

эхо

сигналов

волн

дифрагированных

на

концах

дефекта

Измеряют

ампли

туды

время

прихода

сигналов

от

верхнего

нижнего

концов

дефекта

Реверберационный метод

(

рис

.6.3,

)

использует

влияние

дефекта

на

время

затухания

многократно

отраженных

ультразвуковых

им

пульсов

контролируемом

объекте

Например

при

контроле

клееной

конструкции

наружным

металлическим

слоем

внутренним

полимер

ным

слоем

дефект

соединения

препятствует

передаче

энергии

во

внутрен

ний

слой

что

увеличивает

время

затухания

многократных

эхо

сигналов

во

внешнем

слое

Отражения

импульсов

полимерном

слое

обычно

отсутст

вуют

вследствие

большого

затухания

ультразвука

полимере

В комбинированных методах

используют

принципы

как

прохожде

ния

так

отражения

акустических

волн

Зеркально-теневой метод

основан

на

измерении

амплитуды

донного

сигнала

этом

случае

отраженный

луч

условно

смещен

сторону

(

рис

.6.4,

По

технике

выполнения

(

фиксирует

эхо

сигнал

)

его

относят

методам

отражения

по

физической

сущности

контроля

(

измеряют

ос

лабление

сигнала

дважды

прошедшего

изделие

зоне

дефекта

)

он

близок

теневому

методу

Эхо-теневой мето

основан

на

анализе

как

прошедших

так

отра

женных

волн

(

рис

.6.4,

Рис.6.4. Комбинированные методы, использующие прохождение и отражение:

а – зеркально-теневой; б – эхо-теневой; в – эхо-сквозной;

2 – излучатель; 4 – приемник; 3 – объект контроля

В эхо-сквозном методе

(

рис

.6.4,

)

фиксируют

сквозной

сигнал

II,

испытавший

двукратное

отражение

изделии

случае

появле

ния

полупрозрачного

дефекта

фиксируют

сигналы

III

IV,

соответствую

щие

отражениям

волн

от

дефекта

испытавших

также

отражение

от

верх

ней

нижней

поверхностей

изделия

Большой

непрозрачный

дефект

обна

руживают

по

исчезновению

или

сильному

уменьшению

сигнала

те

невым

методом

также

сигнала

II.

Полупрозрачные

или

небольшие

де

фекты

обнаруживают

по

появлению

сигналов

III

IV,

которые

являют

ся

главными

информационными

сигналами

Методы собственных частот

основаны

на

измерении

этих

частот

(

или

спектров

)

колебаний

контролируемых

объектов

Собственные

часто

ты

измеряют

при

возбуждении

изделиях

как

вынужденных

так

сво

бодных

колебаний

Свободные

колебания

обычно

возбуждают

меха

ническим

ударом

вынужденные

–

воздействием

гармонической

силы

ме

няющейся

частоты

Различают

интегральные

локальные

методы

интегральных

ме

тодах

анализируют

собственные

частоты

изделия

колеблющегося

как

единое

целое

локальных

методах

–

колебания

отдельных

его

участков

Рис.6.5. Методы собственных частот. Методы колебаний:

- вынужденных: а – интегральный; б – локальный;

- свободных: в – интегральный; г – локальный;

1 – генератор непрерывных колебаний меняющейся частоты; 2 – излучатель; 3 – объект

контроля; 4 – приемник; 5 – усилитель; 6 – индикатор резонанса; 7 – модулятор часто-

ты; 8 – индикатор; 9 – спектроанализатор; 10 – ударный вибратор; 11 – блок обработки

информации

методе собственных частот

используют

вынужденные колеба-

ния

В интегральном методе

генератор

1 (

рис

.6.5,

)

регулируемой

часто

ты

соединен

излучателем

возбуждающим

упругие

колебания

(

обычно

продольные

или

изгибные

)

контролируемом

изделии

Приемник

пре

образует

принятые

колебания

электрический

сигнал

который

усилива

ется

усилителем

поступает

на

индикатор

резонанса

Регулируя

часто

ту

генератора

измеряют

собственные

частоты

изделия

Диапазон

приме

няемых

частот

до

500

кГц

Локальный метод

использованием

вынужденных

колебаний

извес

тен

как

ультразвуковой резонансный метод

Его

применяют

основном

для

измерения

толщины

стенке

изделия

3 (

рис

.6.5, 6)

помощью

преоб

разователей

2, 4

возбуждают

упругие

волны

(

обычно

продольные

)

непре

рывно

меняющейся

частоты

Фиксируют

частоты

на

которых

отмечают

ся

резонансы

системы

преобразователь

–

изделие

По

резонансным

час

тотам

определяют

толщину

стенки

изделия

наличие

нем

дефектов

Де

фекты

параллельные

поверхности

меняют

измеряемую

толщину

рас

положенные

под

углом

поверхности

–

приводят

исчезновению

резо

нансов

Диапазон

применяемых

частот

–

до

нескольких

мегагерц

интегральном методе

изделии

3 (

рис

.6.5,

)

ударом

молотка

возбуждают

свободнозатухающие

колебания

Эти

колебания

принимают

микрофоном

усиливают

усилителем

фильтруют

полосовым

фильт

ром

пропускающим

только

сигналы

частотами

соответствующими

выбранной

моде

колебаний

Частоту

измеряют

частотомером

Призна

ком

дефекта

служит

изменение

(

обычно

снижение

)

частоты

Как

правило

используют

основные

собственные

частоты

не

превышающие

кГц

В локальном методе

(

рис

.6.5,

)

возбуждаемый

генератором

вибра

тор

создает

периодические

удары

по

контролируемому

изделию

Элек

трические

сигналы

приемного

микрофона

через

усилитель

посту

пают

на

спектроанализатор

Выделенный

последним

спектр

принято

го

сигнала

обрабатывается

решающим

устройством

11,

результат

обра

ботки

появляется

на

индикаторе

Кроме

микрофонов

применяют

пьезо

приемники

Дефекты

регистрируют

по

изменению

спектра

принятого

им

пульсного

сигнала

отличие

от

интегрального

метода

контроль

выполня

ется

путем

сканирования

изделий

Обычный

диапазон

рабочих

частот

от

0,3

до

кГц

Акустико-топографический метод

имеет

признаки

интегрального

локального

методов

Он

основан

на

возбуждении

изделии

интенсив

ных

изгибных

колебаний

непрерывно

меняющейся

частоты

регистра

ции

распределения

амплитуд

колебаний

помощью

наносимого

на

по

верхность

порошка

Упругие

колебания

возбуждают

преобразователем

прижимаемым

сухому

изделию

Преобразователь

питают

от

мощного

(

по

рядка

0,4

кВт

)

генератора

непрерывно

меняющейся

частоты

Если

собст

венная

частота

отделенной

дефектом

(

расслоением

нарушением

соеди

нения

)

зоны

попадает

диапазон

возбуждаемых

частот

колебания

этой

зо