2.5. Оптические методы и средства контроля

Приборы для контроля внутренних поверхностей и обнаружения дефектов в труднодоступных местах называ­ют эндоскопами или бароскопами.

Принцип действия эндоскопов заключается в осмот­ре объекта с помощью специ­альной оптической системы позволяющей передавать изображение на значительное расстояние. Существуют линзовые, волоконно-оптические и комбинированные эндо­скопы.

Волоконные световоды (ВС) представляют собой набор тонких стеклянных све­топроводящих нитей диаметром (10-20) мкм, собранных в жгут. Каждый элементар­ный световод покрыт снаружи тонким слоем (1-2)мкм стекла с более низким показа­телем преломления.

Рис. 2.7. Cxeмa оптического световода

Максимальный угол , под которым свет может войти в световод без наруше­ния условий полного внутреннего отражения, определяется по формуле: ,

где - апертурный угол, n - показатель преломления.

В соответствии с законом Синеллиуса угол падения связан с углом отражения и прелом­ления следующими соотношениями:

⁼ ; ,

где - показатель преломления первой среды, в которой распространяется падающая волна;

- показатель преломления второй (смежной) среды.

, - диэлектрическая постоянная, - магнитная постоянная.

Если световая волна из оптически более плотной среды падет на границу раздела с оптически менее плотной средой (n₁>n₂), то всегда существует критический (пре­дельный) угол падения φкр = arcsin n1/n2, при котором прошедшая волна распространяется вдоль границы раздела сред (φкр = ). При всех углах падения φкр преломленная волна отсутствует, и свет полностью отражается от поверхности оптически менее плотной среды. Это явление называется полным внут­ренним отражением. При полном внутреннем отражении электромагнитное поле све­товой волны частично заходит во вторую среду, где экспоненциально убывает. Глу­бина проникновения, т.е. расстояние, на котором это поле убывает в е раз (е=2,71828), определяется при > φкр выражением:

Поток энергии из первой среды во вторую в среднем ра­вен нулю, так что энергия падающей электромагнитной волны полностью возвращается в первую среду.

Основными физико-механическими свойствами волоконных световодов (ВС) яв­ляются механическая прочность и минимальный радиус изгиба.

Физико-механические свойства оптических волокон (ОВ) существенно отлича­ются от свойств исходного мате­риала, из которого они изготовляются. Особенно это от­носится к механической прочности, которая у ОВ больше. Так, если предел проч­ности при растяжении для стекла составляет (3,9 - 9,8) Н/ , то ОВ диаметром (З – 9) мкм, изготовленное из того же стекла, имеет .

Механическая прочность 0В зависит от химического состава материалов сердце­вины и оболочки, отношения их площадей в поперечном сечении, диаметра волокна и окру­жающих условий. На гибкость ОВ существенно оказывает влияние окружаю­щая среда и диаметр ОВ. С повышением влажности воздуха сопротивление изгиба резко снижается.

Световоды изготовляют главным образом из кварцевого стекла (волокна, кварц-кварц) и многокомпонентных стекол соответствующего состава (волокна, "стекло-стекло"). В некоторых случаях применяют полимерные ОВ.

Полимерные ВС имеют значительно более высокие потери, чем стеклянные. На­пример, затухание состав­ляет около 20 дБ/ км.

Основные причины развития волоконной оптики:

1. Переход из радиодиапазона в световой диапазон электромагнитных волн по­зволяет увеличить несущую частоту в ( ) раз и соответственно увеличить объём передаваемой информации. Скорости передачи у современных волоконно-оп­тических систем постигает 1-10 Гбит/с, что позволяет в принципе по одному кана­лу связи передавать такие гигантские массивы информации, как 2 млн. телефонных раз­говоров или 2 тыс. теле­визионных программ одновременно.

2. Использование кварца и пластмасс в качестве основного сырья для производ­ства волоконно-оптическо­го кабеля взамен меди и свинца.

3. Доступные в настоящее время скорости модуляции светового излучения полу­проводниковых лазеров и светоизлучающих диодов, чувствительность и быстродей­ствие фотоприёмников для связи, полупроводниковых фотодиодов – позволяет сты­ковать оптоэлектронные приемные и передающие модули со стандартными систе­мами импульсно-кодовой модуляции на 8, 34, 140, 560 Мбит/с.

4. Достигнутые на практике снижение потерь в опти­ческих волокнах до теоретичес­ки минимального уровня (~0,2 дБ/км при длине волны измерения =1,3 мкм) позволяет увеличить расстояние между ретрансляционными пунктами до 30-50 км и тем самым ещё более сни­зить за­траты на строительство линии связи.

5. Высокое удельное сопротивление материалов, из которых изготавливается оп­тическое волокно, позво­ляет сделать линии связи и передачи информации пассив­ными, т.е. не требующими специальных электрических развязок при расположении различных частей системы или линии в зонах с различным потенциалом.

6. Поскольку электромагнитные поля радиодиапазона не воздействуют на све­то­вые сигналы, возможна передача в условиях сильных электромагнитных помех. В значительной степени это относится и к фону различных радиоактивных источни­ков.

7.Сам принцип волоконно-оптической связи, а так­же малые мощности, исполь­зуемые в оптических излуча­телях, повышают скрытность передачи по оптическим во­локнам и кабелям.

8.При переходе на волоконно-оптическую базу резко (в 10-100 раз) уменьша­ется масса прокладываемых кабелей и трудоемкость работ по их прокладке. При технической диагностике судового электрообо­рудования волоконно-опти­ческие системы используются при контроле дефектов внутренних полостей элек­три­чес­ких машин и аппаратов.

2.6. Тепловые методы контроля

2.6.1. Основные положения

Увидеть невидимые инфракрасные (ИК) лучи и использовать их в производственной деятельно­сти и в научных исследованиях помогает человеку - тепловидение.

Устройства, создающие и преобразующие ИК изображение нагретых тел в види­мое, называют тепловизорами.

На специальном индикаторе тепловизора (телевизионном экране, фото- или электрохимической бумаге, фотопленке и т.п.) можно получить изображение нагре­тых тел, видимое невооруженным глазом.

Тепловизор - сложный прибор, создание его бази­руется на успехах в области ис­следования физики ИК лучей и развитие ИК техники.

Так, измерение суммарной интенсивности излуче­ния нагретых тел в зависимости от их температуры и теоретические расчеты позволили в 1884 году сформулировать закон Стефана Больцмана. Согласно этому закону мощность W (в ваттах), излучаемая в полусферу абсо­лютно черным телом (т.е. телом, поглощающим всю падающую на него энергию) с единицы площади, пропорциональ­на четвертой степени его темпера­туры Т (в градусах Кельвина):

, - величина, называемая постоянной Стефана-Больцмана.

Попытки описать спектральное распределение энер­гии теплового излучения с помощью классической электромагнитной и кинетической теории, не привели к по­ложительным результатам, хотя В.Вину и удалось связать температуру Т с длиной волны , на которой излуча­ется максимальная энергия (закон смещения Вина): , где к= 2897 мкм/град.

Только гипотеза Планка о квантовании энергии, утверждающая, что излучение носит не непрерывный, а дис­кретный характер, позволила в 1900г. полностью опи­сать зависимость мощности излучения испускаемой черным телом в полусферу с единицы поверхности, от длины волны . , ; ,(температура в градусах Кельвина).

Формула Планка носит фундаментальный характер и, исходя из неё можно полу­чать законы Стефана-Больцмана и Вина. Рассмотрим обобщенную схему работы тепловизора (рис.2.8.):

Рис. 2.8. Устройство тепловизора и принцип построения

Излучение от объекта 1, пройдёт через окружающую среду 2, попадет на оптическую систему 3 тепловизионого устройства, которая фокусирует это изображение на преобразователь излучения. В общем случае преобразова­тель излучения 4-6 состоит из трех элементов: приёмника излучения 5, осуществляющего непосредственно преоб­разование ИК-излучения в электрический сигнал, величина которого зависит от интенсивности излучения, сканирую­щей системы 4 (сканирование-поле зрения) и коммутатора электрических сигналов 6. Электрический сигнал подаётся на какой-либо индикатор 7, дающий видимое изображение или запись сигнала в ус­ловном виде. Различие возможных принципов приёма излучения и методов съёма информации об объекте привозит к широкому многообразию тепловизионных приборов.

Можно выделить три группы приборов, использующих разные типы приемников:

1. Фотоэмиссионные устройства, чувствительные в ви­димой и ближней ИК-области. В настоящее время их применяют для получения изображения сильно нагретых тел. Ведётся работа по соз­данию длинноволновых фотоэмиссионных устройств.

2. Полупроводниковые фотоприёмники, у которых длин­новолновая граница чувствительности может находиться в средне- и длинноволновой области.

3. Тепловые приемники излучения (болометры, термо­пары), чувствительные в широком диапазоне длин волн, однако значительно уступающие в быстродействии и чув­ствительности фотоэлектрическим приёмникам.

Тепловизионные приборы можно разделить на три класса в зависимости от того, как поступает информация на приёмное устройство: одновременно, последовательно или комбинированным образом.

В первом случае размер приёмного устройства соответствует размеру изображения объекта.

Во втором случае с помощью сканирующей системы "просматривается" по элементам весь объект.

В комбинированной системе информация от части объекта (например, вдоль одной линии) поступает одновременно, а от каждой из таких линеек - последовательно.

Приборы, использующее сканирование, можно также классифицировать по типу развертки. Это может быть ка­чающееся зеркало, призма, пропускающая или отражающая излучение и т.д.