Файл: Одномерные методы.pdf

Аппаратура оптической дефектоскопии и контрольные образцы

Основными характеристиками аппаратуры оптической дефектоскопии должны быть: -диапазон контролируемых параметров или характеристика дефектов; -разрешающая способность; -поле зрения; -увеличение;

-основная и дополнительная погрешности.

Величины погрешности аппаратуры должны определяться на конкретные типы аппаратуры, а виды нормируемых характеристик средств измерений должны соответствовать ГОСТ 8 009–72.

Аппаратура оптического вида контроля должна обеспечивать качество изображения дефектов (яркость, цвет, контраст, размер, время анализа), необходимое для обеспечения оптимальных условий их наблюдения.

При выборе аппаратуры следует предпочитать (при одинаковых характеристиках) приборы с экранным методом наблюдения, вызывающие меньшее зрительное утомление.

Для защиты от попадания в глаз оператора мешающих наблюдению световых лучей аппаратура должна иметь соответствующие устройства (диафрагмы, бленды и т.п.).

Для настройки и периодической проверки работоспособности и расшифровки показаний аппаратуры должны использоваться контрольные образцы, разрабатываемые и изготавливаемые по технической документации разработчика аппаратуры или по отраслевым и междуведомственным техническим документам.

При приемосдаточных, периодических и типовых испытаниях аппаратуры должны использоваться контрольные образцы разработанные предприятием – разработчиком аппаратуры и изготовленные предприятием – изготовителем аппаратуры.

Для проверки аппаратуры непосредственно перед проведением контроля объектов, а также для контроля методом сравнения с объектом могут быть использованы образцы, специально изготовленные потребителем аппаратуры, с внесением определенного вида дефектов.

Наименьший размер выявляемых дефектов должен не менее чем в три раза превышать величину микронеровностей рельефа поверхности контролируемых объектов

Контрольные образцы должны быть аттестованы соответствующими метрологическими службами.

Подготовка и проведение контроля

Подготовка аппаратуры и объекта контроля должна производиться в соответствии с технической документацией и включать:

подготовку объекта контроля к операциям контроля; проверку работоспособности аппаратуры; выбор условий контроля.

Подготовка контролируемого объекта к операциям контроля должна производиться в следующей последовательности:

до начала проведения контроля с поверхности объекта контроля удаляют частицы или загрязнения, мешающие проведению контроля;

определяют границы контролируемого участка и характер дефектов.

Проверка работоспособности аппаратуры должна производиться в соответствии эксплуатационной документацией.

Выбор условий контроля должен сводиться к обеспечению нормальных условий освещенности контролируемого объекта, установлению требуемого режима работы и взаимного расположения объекта контроля и аппаратуры.

Обозначения: 1 – источник излучения; 2 – объект контроля; 3 – приемное устройство, 4 – зеркальная составляющая отраженного потока.

Примечания:

1.Схема испытаний зависит от размера и формы объекта и выбирается с учетом оптимальных условий выявляемости конкретного типа дефектов.

2.Параметры источника излучения (интенсивность спектр, поляризация, пространственно временное распределение интенсивности, степень когерентности) следует выбирать так, чтобы обеспечить максимальный контраст изображения.

Операции контроля должны производиться с учетом климатических характеристик и требований размещения аппаратуры, изложенных в паспорте и инструкции по эксплуатации.

Контроль объектов должен осуществляться в соответствии с методикой контроля на конкретные типы аппаратуры и объекта и включать в себя следующие операции:

-установку объекта контроля и аппаратуры в требуемое положение; -введение объекта в режим контроля (освещение, устранение смешения или вибрации и т.п.); -наблюдение и (или) измерение контролируемого параметра;

-контроль качества объекта посредством сравнения его с контрольным образцом; -обработку результатов.

Методика контроля должна разрабатываться предприятием изготовителем объектов контроля и утверждаться в установленном порядке.

Оптический метод позволяет определять геометрические характеристики дефектов – протяженность, глубину.

Основные этапы проведения оптической дефектоскопии

Можно выделить основные этапы приведения оптической дефектоскопии:

1.Определение оптимальных режимов обнаружения различных типов, дефектов (выбор порогового значения параметров обнаруживаемых дефектов, времени изображения объекта, характеристик осветителя – спектра измерения, мощности и пр.).

2.Проведение непосредственно дефектоскопии, включающее:

а) съем информации с поверхности контролируемого объекта; б) обнаружение дефектов посредством сравнения величины текущего информационного сигнала с

выбранным пороговым значением; в) определение характеристик дефектов (площади, координат расположения в контролируемом

изделии и т.п.); г) регистрацию результатов обнаружения дефектов;

д) отметку результатов дефектоскопии на объекте. Накопление и хранение результатов дефектоскопии. Обработка и анализ результатов дефектоскопии.

Технические средства, реализующие методы оптической дефектоскопии, в основном охватывают два направления: дефектоскопы, дающие косвенную информацию о наличии или отсутствии дефекта имеющего величину выше пороговой и дефектоскопы, позволяющие измерять оптическую величину, характеризующую состояние объекта в любой точке его изображения.

В основном это дефектоскопы многоэлементных (матричных) приемников излучения, имеющих средства аппаратной обработки изображений в реальном времени.

Развитие методов обработки информации позволяет переходить от обнаружения дефектов к определению их характеристик: кроме протяженности (площади) дефектов, это глубина их залегания, раскрытие, оптические характеристики.

Для принятия правильного решения о наличии дефекта и последующего анализа и обработки результатов дефектоскопии на предмет обнаружения дефектов и определения их характеристик важное значение имеет предварительный выбор оптимальных параметров контроля, таких, как освещенность контролируемой поверхности, время регистрации, пороговые значения информационного сигнала.

Время регистрации определяют перед проведением дефектоскопии посредством экспериментальных исследований образцов изделий. При простоте и доступности такого метода он обладает небольшой достоверностью, так как невозможно изготовить образцы из каждого контролируемого изделия, кроме того, это значительно уменьшает производительность дефектоскопии.

Согласно ГОСТ 8.326-78 и ГОСТ 8.010-72 практика дефектоскопии базируется на метрологической аттестации методик дефектоскопии, что обусловлено отнесением их к методикам испытаний.

Средства дефектоскопии допускается аттестовывать в составе соответствующих методик. Средства, не прошедшие метрологическую аттестацию, не могут быть допущены для использования в измерениях.

Проведение оптического контроля, где не требуется получение численных значений характеристик дефектов, а только их обнаружение, осуществляется с использованием оптических дефектоскопов. Разработка дефектоскопов, как правило, направлена на решение определенного круга задач, например дефектоскопии металлов, полимерных материалов, сотовых конструкций, электронных схем и т.д.

Поэтому параметры дефектоскопа, в том числе и параметры всех его блоков, включая алгоритмы обработки информации, должны рассчитываться только из условия обеспечения решения определенных задач. Должны быть обоснованы, например, выбор скорости сканирования с точки зрения обеспечения необходимого отношения сигнал/шум при наличии согласованного фильтра., параметры механического модулятора при наличии заданной пороговой чувствительности, оценка влияния качества оптической системы и фотоприемника на отношение сигнал/шум. Выбор параметров дефектоскопов опирается на объект контроля, чему предшествует тщательное его изучение.

Цифровая матрица, полученная в результате накопления соответствующим образом оцифрованных сигналов от первичных преобразователей аппаратуры контроля, не является в достаточной степени адекватной объекту исследований. Причина этой неадекватности - модуляция сигналов вследствие: 1) вибрации сканирующей системы от работающего оборудования; 2) вибрации и люфтов подвижных частей собственно сканирующей системы; 3) эксцентриситета контролируемого изделия на поворотном узле сканирующей системы; 4) влияния шероховатости поверхности контролируемого изделия; 5) погрешность дискретизации; 6) влияние электрических помех на измерительный тракт; 7) изменения климатических параметров и т.п. Следовательно, цифровая матрица измерений является зашумленным изображением, отображающим структуру контролируемого изделия. Вследствие этого задача получения достоверной информации о дефектах неизбежно связана с необходимостью устранения влияния всех мешающих факторов. Поскольку воздействие всех этих факторов на результаты цифровых измерений носит главным образом статистически случайный характер, то было бы совершенно естественным использовать цифровые методы статистической фильтрации исходного массива информации, в частности использовать линейную, а в некоторых случаях и нелинейную пространственно-инвариантную фильтрацию.

Основная решаемая задача дефектоскопии - выделение совокупности элементов цифрового массива, отвечающих за качественный материал, а также тех участков поверхности изделия, о которых величина аномалий «информирует» как о дефектах. При этом отсутствует априорная информация о величинах элементов цифрового массива на участках дефектов и качественного материала. В такой формулировке мы получаем типичную задачу автоматической классификации и идентификации информации, осуществляемых в условиях априорной неопределенности адаптивных методов, т.е. задачу распознавания образов.

Практически все методы дефектоскопии основаны на использовании порогового значения информационного сигнала, разделяющего измеренные значения информационного сигнала на соответствующие качественным участкам и дефектным. Для многих материалов, не удается назначать по роговое значение априорно из теоретических свойств информационного сигнала. В подобных случаях часто используется способ задания порогового значения для конкретного изделия путем анализа и об работки значений сигнала, снятых в некоторых контрольных точках изделия. Другими словами, по некоторой выборке измерений информационного сигнала, представительной для данного изделия, оценивается пороговое значение, которое затем используется при проведении дефектоскопии.

При этом применяются различные методики как получения выборки значений информационного сигнала, так и ее обработки с целью оценки порогового значения.

Пороговое значение в таких случаях определяется как некоторое значение информационного сигнала, являющееся граничным, разделяющим сигналы, соответствующие качественным и дефектным участкам материала.

Рассмотрим наиболее типичный, широко известный на практике метод настройки дефектоскопа по эталону дефекта.

По выборке измерений информационного сигнала в контрольных точках определяется среднее арифметическое, которое служит оценкой математического ожидания распределения выборки и трактуется как средняя характеристика качества материала. Затем в контрольную точку со значением информационного сигнала, наиболее близким к полученному среднему значению, накладывается физическая модель дефекта, являющаяся эталоном дефекта, и измеряется значение информационного сигнала в этой точке. Полученное значение информационного сигнала принимается за пороговое.

Недостатки, присущие этому подходу:

Характеристики эталона дефекта не отражают характеристик дефекта в конкретном изделии. Этот подход не позволяет полностью автоматизировать процесс дефектоскопии.

Подход содержит систематическую ошибку, поскольку определение порогового значения проводится в статическом режиме, а процесс дефектоскопии, сравнение текущих значений информационного сигнала с пороговым значением, осуществляется в динамическом режиме путем сканирования поверхности контролируемого изделия. Иначе говоря, измерения текущего сигнала и измерения в контрольных точках получены в различных условиях.

Таким образом, использование метода обнаружения дефектов путем определения порогового значения сигнала с помощью эталона дефекта приводит к значительному снижению достоверности обнаружения дефектов, что зачастую не применимо на практике.

Практическая возможность статистического распознавания стимулирует постоянный рост числа публикаций по этой проблеме.

ФАЗОВО-КОНТРАСТНЫЙ МЕТОД ДЕФЕКОСКОПИИ

Описанные методы могут быть полезными для изучения таких объектов, которые выделяются на фоне всего поля зрения вследствие своей способности иначе поглощать свет, чем окружающая среда. В микроскопии очень распространено также наблюдение объектов, отличающихся от окружающей среды главным образом по своему показателю преломления (рефракционные структуры).

Рефракционные структуры вносят изменения не в амплитуду, а в фазу проходящей волны. Однако такие структуры не могут быть непосредственно рассмотрены или сфотографированы, ибо наши приемники реагируют не на фазу, а на амплитуду (интенсивность), которая остается неизменной при прохождении света через разные участки рефракционной структуры. Иначе говоря, в микроскопии часто приходится иметь дело с объектами, которые невидимы не потому, что они слишком малы, а единственно потому, что они малоконтрастны. Таковы, например, некоторые бактерии, не имеющие и следов окраски и такие же прозрачные, как и жидкость, в которую они погружены. Эти малые объекты отличаются от окружающей среды только небольшим различием в показателе преломления.

Вследствие этого проходящий через них свет смещается по фазе на величину

* 2 (nоб nср )d *

где nоб и nср — показатели преломления объекта и среды; d* — толщина объекта; — длина волны света.

Ранее для наблюдения таких объектов применяли дифференциальное окрашивание препаратов, после чего малоконтрастные прозрачные объекты превращаются в поглощающие (контрастные) или разноцветные. Но, во-первых, далеко не все детали объектов могут быть окрашены в разные цвета; вовторых, дифференциальное окрашивание малопригодно при изучении живых объектов. Используя наличие разности в показателях преломления объекта и среды, голландский физик Цернике (1935 г.) разработал новый метод — метод фазового контраста, который позволил сделать видимыми такие прозрачные объекты, как описанные выше. Метод фазового контраста основан на том, что фаза световых колебаний прямо прошедшего света, как показывает анализ, отличается от фазы колебаний света, дифрагированного объектом) на /2.

Пусть Р — прозрачный объект, наблюдаемый в обычный микроскоп. Нить лампы 1 проецируется на ирисовую диафрагму 4 конденсора 5 при помощи коллектора 2. Диафрагма 4 находится в фокальной плоскости оптической системы 5 конденсора. Если бы при этих условиях источник света был точечным, то через препарат Р проходил бы параллельный пучок лучей. В действительности источник света имеет некоторую протяженность и каждая его точка создает параллельный пучок лучей, так что через объект проходит бесконечное число параллельных пучков разного наклона.

Около коллектора 2 расположена ирисовая диафрагма 3, расстояние которой от конденсора таково, что он дает на объекте действительное изображение диафрагмы 3. Микроскоп состоит из объектива 6 и окуляра 7.

На рис. заштрихованная область показывает ту часть дифрагированного света, которая попадает в микроскоп.

Рассмотрим в качестве примера прозрачный микрообъект А и предположим, что лампа 1 является монохроматическим источником света. Объект дифрагирует падающий свет в конус, угол при вершине которого тем больше, чем меньше размер объекта. На рис. - заштрихованная область.

Уменьшим отверстие диафрагмы 4 так, чтобы использовалась только небольшая часть изображения источника 1 в точке F. Изображение F' точки F получается в фокальной плоскости я объектива 6. Изображение F' тоже мало, и можно считать, что в плоскости пучок прямого света, посылаемого лампой 1, полностью отделяется от пучка, дифрагированного объекта. В этой плоскости прямой световой пучок освещает лишь очень малую область, тогда как пучок дифрагированного света охватывает большую часть плоскости.

Рассмотрим область, где находится объект А. Пусть nоб и nср —