Реализация импульсного метода в тепловом неразрушающем контроле изделий из композитов

Реализация импульсного метода в тепловом неразрушающем контроле изделий из композитов

Содержание

Введение

. Общие сведения о неразрушающем контроле

. Тепловой контроль

.1 Активный

.2 Пассивный

. Композиционные материалы

.1 Область применения

.2 Углепластики

.3 Виды дефектов

.4 Дефекты композиционных материалов

. Импульсный метод

. Метод импульсной фазовой термографии (Фурье-анализ температурной динамики)

.1 Общие принципы

. Источники нагрева и регистрации

.1 Тепловизионная аппартура

6.2 Устройство регистрации температуры (инфракрасная камера NEC TH9100ML)

7. Практика

Заключение

Список использованных источников

Введение

В современном мире широко используются композиционные материалы в разных отраслях требующих высокое качество, которые должны соответствовать установленным требованиям и нормам. Основная задача технического контроля качества выпускаемой продукции состоит в том, чтобы правильно используя эффективные методы и средства контроля, своевременно выявить(обнаружить) технологические дефекты и определить причины, порождающие эти дефекты, и пути (мероприятия), обеспечивающие бездефектную сдачу готовой продукции. Методы неразрушающего контроля группируют по видам исходя главным образом из общности физических явлений, используемых для обнаружения дефектов и других отклонений в контролируемых объектах, недопустимых по техническим условиям на их изготовление и эксплуатацию. В неразрушающем контроле используют такие физические явления, как тепловые поля - тепловые методы неразрушающего контроля.

В настоящее время одной из наиболее актуальных проблем является поиск и создание точных, надежных и простых в реализации методов теплового контроля, а также оценка теплофизических свойств (ТФС), используемых и вновь разрабатываемых строительных, теплоизоляционных, облицовочных материалов и изделий. Температура как количественный показатель внутренней энергии тел является универсальной характеристикой объектов и процессов физического мира, в котором непрерывно происходит генерация, преобразование, передача, накопление и использование энергии в ее различных формах. Промышленная деятельность сопровождается необратимыми потерями тепловой энергии, поэтому очевидно, что анализ тепловых процессов (температурных полей, потерь тепла и т.п.) позволяет получать разнообразную информацию о состоянии объектов и протекании физических процессов в природе, энергетике, строительстве, промышленности и медицине. В настоящее время методы теплового НК представляют высокотехнологичную область прикладных исследований, которая объединяет достижения в теории теплопередачи, ИК технологии и компьютерной обработки экспериментальных данных. Современный интерес к ТК обусловлен его универсальным характером, иллюстративностью результатов, высокой производительностью и безопасностью обслуживания ИК аппаратуры

1. Неразрушающий контроль

Неразрушающий контроль - контроль свойств и параметров объекта, при котором не должна быть нарушена пригодность объекта к использованию и эксплуатации.

Виды и методы неразрушающего контроля классифицируют на основе физических явлений (процессов), которые несут информацию о состоянии контролируемого объекта и используются для обнаружения дефектов, повреждений и других отклонений.

Областью, которая раньше остальных «приручила» неразрушающий контроль и взяла его на вооружение, является строительство. Сейчас исследованиям, не требующим непосредственного вмешательства, подвергаются и строительные материалы, и уже готовые - возведённые - объекты. К контролируемым параметрам в строительстве относят и прочность изделия, и качество нанесённого на поверхность покрытия, и глубину заделки в бетон армирующей сетки, и влажность древесины. С помощью приборов НК обнаруживают пустоты в монолитных блоках и трещины на внутренней поверхности трубопровода.

Методы неразрушающего контроля используют для выявления мельчайших дефектов сварных швов, рельсов и труб. Они позволяют выявить изъяны самой различной природы - ржавление, растрескивание, разъедание, а также многие другие.

НК позволяет контролировать состояние объектов транспорта и транспортной промышленности. В основном его используют для того чтобы выявлять зоны концентрации напряжения, оценивать кинетику их развития и контролировать распределения полей внутренних напряжений.

Неразрушающий контроль успел стать и методом испытаний, и важным элементом промышленной безопасности, и оценкой надёжности параметров объекта, и способом получения информации о продукции.

Один из методов неразрушающего контроля, а именно тепловой контроль, является самым современным, высокоэффективным и перспективным направлением в диагностике состояний и свойств разнообразных объектов. Методы теплового контроля позволяют осуществлять своевременное, высокоточное, оперативное, информативное и непрерывное наблюдение за исправностью исследуемых объектов.

2. Тепловой контроль

Тепловой контроль основан на измерении, мониторинге и анализе температуры контролируемых объектов. Основным условием применения теплового контроля является наличие в контролируемом объекте тепловых потоков. Процесс передачи тепловой энергии, выделение или поглощение тепла в объекте приводит к тому, что его температура изменяется относительно окружающей среды. Распределение температуры по поверхности объекта является основным параметром в тепловом методе, так как несет информацию об особенностях процесса теплопередачи, режиме работы объекта, его внутренней структуре и наличии скрытых внутренних дефектов. Тепловые потоки в контролируемом объекте могут возникать по различным причинам.

Различают пассивный и активный, а также стационарный и нестационарный (динамический) способы (режимы) ТК. При пассивном ТК объект испытаний характеризуется температурным полем, сформировавшимся в процессе его функционирования, в то время как активный способ предусматривает использование дополнительного источника тепловой стимуляции (нагружения) объекта. Соответственно, вводят понятия активных и пассивных дефектов. Активные дефекты выделяют или поглощают тепловую энергию и поэтому их можно диагностировать (идентифицировать) в пассивном режиме.

В пассивном ТК схема испытаний определяется, главным образом, возможностью доступа к той поверхности объекта контроля, на которой искомые дефекты проявляются оптимальным образом[4].

.1 Активный тепловой контроль

Активный тепловой контроль- это контроль материалов с использованием дополнительного источника тепловой стимуляции.

Активный ТНК предполагает нагрев объекта внешними источниками энергии. В случае использования АТНК в дефектоскопии, например для обнаружения дефектов в виде нарушения несплошности (раковин, трещин, мест непроклея), информацию о дефектах несут в себе локальные неоднородности температурного поля на поверхности ОК.

Область применения активного ТНК: Активный режим ТК с успехом применяют для диагностики состояния объектов искусства, например, для обнаружения дефектов в иконах и настенных фресках. В научном плане решена проблема неоднородного нагрева фресок вследствие различий в окраске. Алгоритм трехмерной цифровой фильтрации, позволяющий «очищать» термограммы фресок от поверхностных шумов, реализован в российской компьютерной программе ThermoCalc-3D (ФГНУ «НИИ интроскопии»)

Авиакосмическая область является основной областью применения собственно ТК. Новые материалы (композиты, сотовые конструкции), применяемые в этой области, являются удачным объектом приложения метода. Разрабатываются способы определения зон с водой в обшивке космических челноков и в сотовых авиационных панелях. Другой областью широкого применения является обнаружение отслоений и непроклеев. Весьма важной остается задача определения коррозии в авиационных панелях стареющего парка авиационной техники. Развиваются также тепловые методы обнаружения дефектов турбинных лопаток.

2.2             Пассивный тепловой контроль

Пассивный метод теплового контроля не нуждается во внешнем источнике теплового воздействия, тепловое поле в объекте контроля возникает при его эксплуатации или изготовлении. При пассивном контроле может использоваться как постоянно действующее естественное тепловое нагружение объекта (стена здания или холодильника, разделяющая теплое и холодное помещения, работающий электродвигатель, контактные электрические соединения под нагрузкой и т.д.) так и переходные тепловые процессы (диагностика кровли здания, контроль авиационных сотовых панелей, поиск зон отслоения штукатурки от стен и т.д.)

В пассивном ТК схема испытаний определяется, главным образом, возможностью доступа к той поверхности объекта контроля, на которой искомые дефекты проявляются оптимальным образом.

композит тепловой импульсный углепластик

3. Композиционные материалы

Композиты - многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлической, углеродной, керамической или другой основы (матрицы), армированной наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов, тонкодиспeрсных частиц и др. На рисунке 1 приведен пример структуры композита.

Рисунок 1 - Структура композита.

Путем подбора состава и свойств наполнителя и матрицы, их соотношения, ориентации наполнителя можно получить материалы с требуемым сочетанием эксплуатационных и технологических свойств. Использование в одном материале нескольких матриц (полиматричные композитные материалы) или наполнителей различной природы (гибридные композитные материалы) значительно расширяет возможности регулирования свойств композитных материалов. Армирующие наполнители воспринимают основную долю нагрузки композитных материалов.

По природе матричного материала различают полимерные, металлические, углеродные, керамические и другие композиты.

.1 Область применения

Композиты хорошо воспринимают динамические нагрузки, т.е. нагрузки, переменные во времени (вибрации, удары и т.п.) именно поэтому их используют в основном на транспорте, в том числе для изготовления яхт и катеров.

В авиакосмической промышленности широко применяют композиционные материалы, такие как стекло- и углепластик, а также углерод-углеродные (УУ) композиты, которые в свою очередь могут выступать в качестве обшивок сэндвичевых или сотовых структур, усиленных металлическими или неметаллическими сотами, пластическими пенообразными материалами, бальзой и т.п. Некоторые структуры могут иметь слои из резины, пробки и абляционных материалов. Также получили распространение полностью металлические соты, в которых обшивка соединена с ячейками с помощью клея или сварки с припоем. В самолетах, как указывалось выше, широко применяются силовые элементы (стрингеры), соединенные с металлической обшивкой с помощью клея и заклепок [1].

3.2 Виды композитов и их состав

Наиболее широкое применение в технике получили композитные материалы, армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами. К ним относят:

·        полимерные композитные материалы на основе термореактивных (эпоксидных, полиэфирных, винилэфирных, феноло-формальдегидных, полиимидных и др.) и термопластичных смол, армированных стеклянными (стеклокомпозиты), углеродными (углекомпозиты), органическими (органокомпозиты), борными (борокомпозиты) и другими видами волокон;

·        металлические композитные материалы на основе сплавов Al, Mg, Cu, Ti, Ni, Сг, армированных борными, углеродными или карбидкремниевыми волокнами, а также стальной, молибденовой или вольфрамовой проволокой;

·        композитные материалы на основе углерода, армированного углеродными волокнами (углерод-углеродные материалы);

·        композитные материалы на основе керамики, армированной углеродными, карбидкремниевыми и другими жаростойкими волокнами.

При использовании углеродных, стеклянных, арамидных и борных волокон, содержащихся в материале в количестве 50-70%, созданы композиции с ударной прочностью и ударным модулем упругости в 2-5 раз большими, чем у обычных конструкционных материалов и сплавов. Кроме того, волокнистые композитные материалы превосходят металлы и сплавы по усталостной прочности, термостойкости, виброустойчивости, шумопоглощению, ударной вязкости и другим свойствам [5].

Преимущества композиционных материалов

·        высокая удельная прочность;

·        высокая жёсткость;

·        высокая износостойкость;

·        высокая усталостная прочность;

·        из композиционных материалов возможно изготовить размеростабильные конструкции;

·        высокая термостойкость.

Причём, разные классы композитов могут обладать одним или несколькими преимуществами. Некоторых преимуществ невозможно добиться одновременно.

Недостатки композиционных материалов

Большинство классов композитов (но не все) обладают недостатками:

·        анизотропия свойств

·        повышенная наукоёмкость производства, необходимость специального дорогостоящего оборудования и сырья, а следовательно развитого промышленного производства и научной базы страны [2].

3.3 Углепластики

Углепластики - наполнителем в этих полимерных композитах служат углеродные волокна. Углеродные волокна получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, сополимеров акрилонитрила, нефтяных и каменноугольных пеков и т.д. Термическая обработка волокна проводится, как правило, в три этапа (окисление - 220 °С, карбонизация - 1000-1500 °С и графитизация - 1800-3000 °С) и приводит к образованию волокон, характеризующихся высоким содержанием (до 99,5 % по массе) углерода. В зависимости от режима обработки и исходного сырья полученное углеволокно имеет различную структуру. Для изготовления углепластиков используются те же матрицы, что и для стеклопластиков - чаще всего - термореактивные и термопластичные полимеры. Основными преимуществами углепластиков по сравнению со стеклопластиками является их низкая плотность и более высокий модуль упругости, углепластики -очень легкие и, в то же время, прочные материалы. Углеродные волокна и углепластики имеют практически нулевой коэффициент линейного расширения. Все углепластики хорошо проводят электричество, черного цвета, что несколько ограничивает области их применения. Углепластики используются в авиации, ракетостроении, машиностроении, производстве космической техники, медтехники, протезов, при изготовлении легких велосипедов и другого спортивного инвентаря.

На основе углеродных волокон и углеродной матрицы создают композиционные углеграфитовые материалы - наиболее термостойкие композиционные материалы (углеуглепластики), способные долго выдерживать в инертных или восстановительных средах температуры до 3000 °С. Существует несколько способов производства подобных материалов. По одному из них углеродные волокна пропитывают фенолформальдегидной смолой, подвергая затем действию высоких температур (2000 °С), при этом происходит пиролиз органических веществ и образуется углерод. Чтобы материал был менее пористым и более плотным, операцию повторяют несколько раз. Другой способ получения углеродного материала состоит в прокаливании обычного графита при высоких температурах в атмосфере метана. Мелкодисперсный углерод, образующийся при пиролизе метана, закрывает все поры в структуре графита. Плотность такого материала увеличивается по сравнению с плотностью графита в полтора раза. Из углепластиков делают высокотемпературные узлы ракетной техники и скоростных самолетов, тормозные колодки и диски для скоростных самолетов и многоразовых космических кораблей, электротермическое оборудование.

.4 Дефекты композиционных материалов

Согласно теории теплового контроля, наилучшее выявление скрытых дефектов в конструкционных материалах обеспечивает мощный кратковременный нагрев. В качестве источников теплового возбуждения могут использоваться самые разнообразные устройства. Это источники инфракрасного излучения (ИК), потоки нагретого (охлажденного) газа, устройства резистивного нагрева (за счет пропускания электрического тока через контролируемый образец), индукционные нагреватели, воздушные и плазменные струи, контактные спирали [7].

Отслоения сотовых панелей. Серьезным дефектом сотовых панелей является отслоение обшивки от сотового заполнителя (Рисунок. 2 - Рисунок. 3). Причинами появления этого вида дефекта являются следующие:

·        брак, допущенный при изготовлении, т.е. плохие адгезионные свойства клея или непроклей поверхностей;

·        наличие воды в сотовой конструкции;

·        отслоения, вызванные механическими воздействиями (ударами) на панель, данный тип дефекта может возникать, например, при хождении обслуживающего персонала по поверхности панелей.

Рисунок 2 - Пример отслоения обшивки сотовой панели.

Одной из основных причин появления отслоений в сотовых панелях является попадание воды в ячейки сотового заполнителя. Как показали исследования, проведенные в лаборатории ARML, Австралия, влага в сотах, при достаточно большой влажности воздуха (около 85%) и температуре окружающей среды около 800С, существенно влияет на сцепные свойства клея, что может привести к отрыву обшивки от ячеистой структуры и разрушению ячеек сотового заполнителя. Особо подчеркивается тот факт, что области клея, напрямую контактирующие с водой, изменяют свои свойства и цвет. В частности, изменение цвета клея может быть использовано при расследовании причин аварий самолетов.

Рисунок 3 - Отрыв обшивки сотовой панели из-за плохих сцепных свойств клея.

Рисунок 4 - Разрушение ячеек сотового заполнителя.

Рисунок 5 - Изменение свойств (цвета) клея в результате длительного контакта панели с водой.

В процессе полета вода претерпевает фазовые превращения, так как температура за бортом самолета может изменяться от -50 ⁰С до +50 ⁰С. Увеличение объема воды при замерзании может вызвать разрушение ячеек сотовых конструкций и отрыв обшивки. Наличие воды приводит также к утяжелению сотовой конструкции, что увеличивает взлетный вес и снижает прочность панелей [7].

4. Импульсный метод

Импульсный метод - контроль, при котором длительность тепловой стимуляции существенно меньше характерного времени наблюдения; как правило, нагрев производят с помощью импульсного лазера или импульсной лампы .

Он заключается в нагреве (тепловом нагружении) изделия и совместной регистрации термограмм и голографических интерферограмм нагретой поверхности. При этом обнаружение дефектов производится по наличию аномалий интерференционных полос, а их протяженность и глубина залегания на основании анализа термограмм контролируемой зоны изделия при его нагреве галогенными лампами. Оператор с помощью голо-графического интерферометра с термопластической системой записи изображений и телевизионной системой практически в реальном масштабе времени наблюдает интерферограмму. В случае обнаружения аномалий (дефектных участков) на интерферограмме дальнейшая об работка дефектоскопической информации производится с помощью программного анализа термограмм, записанных в памяти ПЭВМ. Дефектоскопические процедуры реализуются на основе физико-математической модели процесса контроля (двухмерная обратная задача нестационарной теплопроводности).

При нагреве изделий с помощью теплового импульса возникает бесконечное число гармоник, образующих собственно импульс; соответственно, в температурном отклике на импульс проявляются реакции на все гармоники. Гармоники меньших частот проникают глубже, чем гармоники высоких частот, поэтому гармоники более низких частот дают информацию о глубоко расположенных дефектах, а гармоники более высоких частот - информацию о дефектах, расположенных близко к поверхности изделия. В волновой тепловой термографии (метод тепловых волн) для нагрева используют одночастотную волну, что обеспечивает бόльшее отношение сигнал-шум (принцип синхронного детектирования).

Необходимость повторения эксперимента для нескольких частот с целью прозондировать изделие по всей толщине делает волновую тепловую термографию менее используемым методом, чем импульсную тепловую термографию.

При одностороннем импульсном ТК температурные сигналы над дефектами на стадии охлаждения изменяются медленнее, чем в бездефектных зонах, из-за менее интенсивного отвода тепла в глубь изделия через дефект.

В импульсном ТК используют различные вариации метода, который может быть назван оптимальным наблюдением. Его сущность очевидна и сводится к тому, что температурное поле объекта контроля следует наблюдать в момент  максимума сигнала  или другого выбранного информативного параметра (более корректно выбирать  в момент максимального отношения сигнал/шум). При этом «оптимальную» термограмму либо выбирают из записанной последовательности, либо непосредственно фиксируют в момент , который определяют a priori. В англоязычной литературе с этим методом связано несколько терминов: метод синхронной регистрации сигнала, метод временных ворот, ИК радиометрия с временным разрешением и т.п. (synchronous, lock-in, box-car, time-resolved technique).

импульсного теплового возбуждения, которое создает пакет гармонических волн различной частоты и, следовательно, не требует перестройки частоты при зондировании тела до различных глубин [1].

5. Метод импульсно фазовой термографии (Фурье анализ динамики температуры)

Импульсная фазовая термография - обработка термограмм в частотной области с построением «фазограмм» (преимущественно с использованием преобразования Фурье)

5.1 Общие принципы

Метод импульсной фазовой термографии (pulse phase thermography), предложенный К.Малдагом, С.Маринетти и Ж.Кутюрье .основан на применении преобразования Фурье к функции изменения температуры во времени . Фазовая термография является обобщением метода модулированных (импульсных или периодических) тепловых волн, которые распространяются в глубь изделия от точки теплового возбуждения и претерпевают пространственные и временные искажения в месте наличия внутренних дефектов. При периодическом нагреве температурный сигнал над дефектом является периодической функцией той же частоты, что и возбуждающая тепловая волна, и характеризуется определенной фазой и амплитудой. Простой оценкой максимальной глубины обнаруживаемого дефекта служит длина тепловой диффузии. Очевидно, что более глубокие дефекты следует обнаруживать с помощью более медленных волн.

Импульсная фазовая термография, это учет тотальных различий в процессах временного развития температуры в бездефектных и дефектных зонах. Известно, что поглощенный поверхностью твердого тела импульс тепловой энергии любой формы, характеризуется спектром частот, которые проникают в глубь тела, претерпевая рассеяние по энергии (амплитуде) и запаздывание во времени (сдвиг по фазе). Отдельные частотные компоненты спектра конкурируют сложным образом, участвуя в создании колоколообразного сигнала в зоне дефекта. C ростом глубины проникновения теплового пакета количество высокочастотных компонент в спектре динамической температуры уменьшается. Таким образом, слои изделия исполняют роль своеобразных частотных фильтров. Качественно это означает, что приповерхностная область изделия может зондироваться относительно высокочастотными волнами, что используется в фототермии, а глубинные дефекты предпочтительнее выявлять низкочастотными волнами. При этом специфическую информацию несет сдвиг фазы между возбуждающей и регистрирующей волной [1].

Использование импульсной термографии на фронтальной поверхности можно проиллюстрировать следующим рассуждением. Известно, что: 1) более глубокие дефекты характеризуются более слабыми температурными сигналами; 2) в спектре Фурье прямоугольных или им подобных импульсов низкочастотные компоненты несут больше мощности, чем высокочастотные. С учетом того, что обнаружение глубоких дефектов требуют волн более низких частот, вышесказанное означает, что стимуляция изделия прямоугольным импульсом (или импульсом Дирака) является оптимальной для обнаружения скрытых дефектов по всей глубине изделия. Очевидно, что на практике возможны ограничения, связанные с технологически доступной мощностью нагрева, спектральным составом потока нагрева, предотвращением перегрева образца, шумами и т.п.

Основное отличие Фурье преобразования, используемого в ТК, от стандартных процедур обработки двухмерных изображений заключается в его «одномерности», поскольку оно применяется к временному развитию сигналов. Таким образом, Фурье-анализ в ТК используют для исследования температурной динамики в последовательностях ИК изображений. Определенная трудность в интерпретации изображений фазы (фазограммы) и амплитуды (амплиграммы) в Фурье-пространстве состоит в том, что результаты преобразования Фурье зависят как от величины интервала оцифровки температурных данных, так и от числа этих интервалов. Тем самым затруднительно получение обобщенных калибровочных зависимостей, которые позволили бы, например, осуществлять тепловую томографию путем анализа сдвига фаз.

Рассмотрим, как практически осуществляется Фурье-преобразование временнóй последовательности термограмм. Используем преобразование Фурье , принятое в физике:

,        (1)

где -дискретная исходная функция, содержащая  отсчетов ( термограмм в последовательности), -частота, -мнимая единица, -номер отсчета.

Пусть анализируемая последовательность содержит 20 временных отсчетов температуры, начиная с нулевого момента времени , т.е.:

нулевой момент временисоответствует («) точке 1;

момент времени « точке 2;

момент времени« точке 3;

·   ………………………………

момент времени « точке 20,

где -интервал между соседними изображениями (одинаковый для всей последовательности) [1].

Последовательность  изображена на рисунок. 6, а. Модуль  и аргумент (фаза)  преобразования Фурье для данной последовательности приведены на рисунке 6 б,в.

Подобно исходной последовательности, графики модуля и фазы преобразования Фурье содержат 20 отсчетов, причем точка 1 соответствует нулевой частоте. Вследствие эффекта отражения (aliasing), полезную информацию несут частоты, соответствующие отсчетам от 1 до 10 (информация в Точках от 11 до 20 являются зеркальным отражением первых 10-ти точек).

Рисунок 6 - Фурье-анализ импульсного нагрева пластины из углепластика толщиной 2 мм: а - исходное ИК изображение (1,3 с после окончания импульса нагрева); б - изменение температуры бездефектной зоны во времени; в - модуль амплитуды тепловой волны (с учетом нулевого отсчета и без него); г - фаза тепловой волны (с учетом нулевого отсчета и без него)

Если полное число точек равно , то приращение частоты, соответствующее интервалу , составляет:

.       (2)

Таким образом, -й точке будет соответствовать частота:

.  (3)

Самая низкая значимая частота, не считая нулевой, определена для точки 2:

.      (4)

Самая высокая частота в спектре соответствует Точке :

.   (5)

Тогда последовательность частот имеет вид:

       (6)

Важно подчеркнуть, что, в отличие от ряда других алгоритмов ТК, например, метода оптимального наблюдения или динамической тепловой томографии, импульсная фазовая термография требует накопления информации в течение длительного времени, что позволяет анализировать низкие частоты, необходимые для обнаружения глубоколежащих дефектов. С другой стороны, интервал времени между соседними термограммами должен быть мал, чтобы обеспечить высокие частоты в Фурье спектре, необходимые для обнаружения приповерхностных дефектов (при выполнении этого условия, центральная часть спектра на рисунке. 6, б спадает почти до нуля). Поэтому импульсная фазовая термография часто имеет дело с последовательностями, состоящими из нескольких сотен и даже тысяч изображений.

К настоящему времени, преимущества импульсной фазовой термографии были продемонстрированы в основном, на качественном уровне, однако чувствительность метода к структурным дефектам настолько высока, что его используют в качестве тестового при проверке других алгоритмов [1].

6. Источники нагрева и регистрации

Источник нагрева является основным элементом систем активного теплового контроля.

Внешний источник тепловой энергии по-другому еще называют источником тепловой стимуляции. Тепловую стимуляцию можно осуществлять, нагревая или охлаждая объект контроля. Но на практике почти всегда используют нагрев с помощью излучателей или потоков газа (жидкости).

Наибольшая мощность при стимуляции достигается нагревом оптическим излучением. Для этого применяют:

·        электрические лампы накаливания (при «медленном» активном ТК металлов);

·        галогенные и ксеноновые лампы (для «быстрой» стимуляции металлов);

·        лазеры (для быстрого локального нагрева).

Изделия, изготовленные из проводящих материалов, стимулируют индукторами и непосредственно, пропуская электрический ток по образцу. Нагрев излучением СВЧ применяют при контроле участков с повышенной влажностью в изделиях из пористых непроводящих материалов.

Как двусторонний, так и односторонний активный тепловой контроль возможен с применением потока горячего газа (воздуха), направляемого на объект с помощью «тепловой пушки». Существуют еще механический (за счет воздействия вибрацией) и ультразвуковой способ стимуляции изделий.

Оптический импульсный нагрев с помощью ксеноновой лампы

Преимущество импульсного нагрева состоит в возможности передать объекту контроля значительную энергию за короткое время и тем самым снизить влияние «поперечной» теплопроводности металла на выявляемость дефектов.. В экспериментах был использован комплект QUADX STUDIO SET 3000 фирмы BOWENS. Внешний вид комплекта показан на рисунке 7. Технические характеристики комплекта приведены в таблице 1.

Рисунок 7 - Комплект импульсных ламп QUADX STUDIO SET 3000

Таблица 1 - Технические характеристики комплекта QUADX STUDIO SET 3000

Лабораторная установка для импульсного нагрева показана на рисунке и состоит из двух ксеноновых ламп, блока питания ламп, эталонного образца и тепловизора. Длительность импульса составляла около 1 мс при полной энергии световой вспышки до 3 кДж.

Рисунок 8 - Лабораторная установка, использующая ксеноновые импульсные лампы

6.1 Тепловизионная аппаратура

В основу принципа действия тепловизионных приборов положено двухмерное преобразование собственного теплового излучения от объектов и местности, ил фона, в видимое изображение, что является одной из высших форм преобразования и хранения информации. Наличие в поле зрения регистрируемого теплового контраста позволяет визуализировать на мониторе полутоновые черно-белые, или адекватные им «псевдоцветные», тепловизионные изображения.

Тепловизионная техника обладает рядом достоинств и присущих только ей возможностей: обнаружение удаленных только теплоизлучаюших объектов (или целей) независимо от уровня естественной освещенности, а также до определенной степени - тепловых и других помех (дождя, тумана, снегопада, пыли, дыма и др.).

Начало развития тепловизионной техники было положено в конце 60-х годов исследованиями по двум основным направлениям: с использованием дискретных приемников излучения совместно с системами сканирования (развертки) изображения и приборов без механического сканирования на базе двухмерных ИК-приемников.

При этом можно условно выделить четыре поколения их развития.

Нулевое поколение - основано на применении единичных охлаждаемых приемников и двухмерной (строчной и кадровой) развертки с помощью сканирующей оптико-механической системы; первое поколение - на применении строчных линеек приемников и упрощенной кадровой развертки; второе поколение - на использовании сгруппированных нескольких линеек (с временной задержкой и накоплением) и более низкоскоростной системой развертки. Ко второму поколению можно также отнести вакуумные приборы с электронным сканированием приемной мишени - пироконы.

Принципиально новое третье направление основано на применении «одновременно смотрящих», т.е. фокально-плоскостных, твердотельных многоэлементных матриц без использования вообще оптико-механических систем развертки изображения. При этом, для обеспечения высокой температурной чувствительности матрицы на квантовых приемниках должны иметь криогенное охлаждение. При использовании пироэлектрических матриц исключаются вакуумная электронная оптика и фокусирующе-отклоняющая система.

Преобразователи с оптико-механическим сканированием (ПОМС) использовались главным образом на участке ИК-спектра 13 ... 15 мкм для анализа собственного теплового излучения объектов, пока не были созданы эффективные многоэлементные преобразователи

В приборах этого типа сканирование происходит перемещением объекта относительно неподвижного детектора излучения либо изменением направления оптической оси объектива с помощью системы вращающихся или колеблющихся зеркал.

Структурная схема тепловизора с оптико-механическим сканированием включает приемную оптическую систему 1, детектор ИК-лучей 2, сканирующую систему 3, обеспечивающую последовательный просмотр объекта по заданному закону, усилитель 4, систему развертки и синхронизации 5 и кинескоп 6 (рисунок. 9).

Принцип действия тепловизора заключается в просмотре по заданному закону движения поверхности объекта узким оптическим лучом с угловым размером 8, сформированным системой объектив - приемник. Обзор происходит в пределах угла поля зрения (углы α и β) за время Т, которое принято называть временем кадра. Угол δ носит название мгновенного угла поля зрения.

Тепловизор позволяет выделять на тепловом изображении объекта области одинаковых температур с помощью изотерм, высвечивающихся на кинескопе. В нижней части кадра формируется серая шкала, которая используется для измерения температуры. При этом яркость отдельных участков изображения объекта сравнивают с яркостью элементов шкалы, для которой при калибровке прибора определяют температурный перепад, соответствующий переходу от белого до черного.

Применение в тепловизорах узкополосных фильтров, прозрачных на длине волны 3,39 мкм, где имеется окно прозрачности газа СО₂, позволяет фиксировать ИК-излучение через пламя.

Наличие линзовой оптики позволяет легко изменять увеличение системы сменой объективов.

Тепловизоры обычно имеют черно-белые или цветные видеомониторы и устройства аналоговой и цифровой обработки изображения (выделение изотерм, обращение контраста, представление в псевдоцветах, термопрофильное квазиобъемное представление теплового поля и т.п.).

В последнее время широко применяют тепловизионные системы с блоками цифровой памяти, имеющие интерфейс и работающие в комплексе с мини-ЭВМ.

Перспектива развития тепловизионных систем заключается в создании спектральных цифровых камер, в том числе, стереоскопических, а также разработке радиотепловизионных приборов для диапазона длин 0,1 ... 1 мм, в котором многие диэлектрики прозрачны, и представляется возможность измерять их внутреннюю температуру.

Рисунок 9 - Структурная схема сканирующего тепловизора с охлаждаемым одноэлементным приемником излучения: 1 - оптическая система; 2 - приемник излучения; 3 - сканирующее устройство; 4 - усилитель; 5 - система развертки и синхронизации; 6-электронно-лучсвая трубка

В усилительном устройстве обеспечена линейная зависимость выходного напряжения от измеряемой температуры, что позволяет измерять температуру изделий.

В 1980 - 90-е года были разработаны и широко пользовались тепловизионные приборы, используют» пироконы. Они обеспечивают телевизионный стандарт изображения: 625 строк при частоте кадров 50 Гц. Применен способ обработки сигнала, исключающий мерцание. Синхронный двигатель приводит во вращение обтюратор, который перекрывает падающее тепловое излучение с частотой 25 Гц. Сигнал от предусилителя поступает в процессор кадров, в котором запоминаются и вычитаются чередующиеся поля (полукадры), в результате полезная составляющая сигнала удваивается, а неравномерности фона и шумы мишени, имеющие постоянную полярность, значительно уменьшаются. Далее чередующиеся поля инвертируются и формируется сигнал изображения постоянной полярности. Сигналы с усилителей «привязываются» к стандартному уровню черного в выходном сигнале. После выведения сигналов синхронизации и гашения полный сигнал, содержащий восемь градаций серого, может быть подан на любой монитор. Достигнуто температурное разрешение 0,3 °С при 50 линиях на диаметре мишени и относительном отверстии объектива 1:1.

Тепловые приборы на пироконах занимали значительное место в мобильных средствах контроля и обзора окружающей среды. Поскольку прибор не требует специального охлаждения, он хорошо подходит для длительного наблюдения и контроля в сложных условиях.

6.2 Устройство регистрации температуры (инфракрасная камера NEC TH9100ML)

Для регистрации последовательностей термограмм использовали одноволновую ИК камеру TH9100ML производства фирмы NEC Avio, Япония (рисунок 10). Важнейшие технические характеристики камеры приведены в таблице 2.

Рисунок 10 - ИК камера TH9100ML

Таблица 2 - Технические характеристики ИК камеры TH9100ML

7. Практика

Оптический импульсный нагрев с помощью ксеноновой лампы

Преимущество импульсного нагрева состоит в возможности передать объекту контроля значительную энергию за короткое время и тем самым снизить влияние «поперечной» теплопроводности металла на выявляемость дефектов. В экспериментах был использован комплект QUADX STUDIO SET 3000 фирмы BOWENS. Внешний вид комплекта показан на рисунке 11.

Рисунок 11 - Комплект импульсных ламп QUADX STUDIO SET 3000

Лабораторная установка для импульсного нагрева показана на рисунке 12 и состоит из двух ксеноновых ламп, блока питания ламп, эталонного образца и тепловизора. Длительность импульса составляла около 1 мс при полной энергии световой вспышки до 3 кДж.

Рисунок 12 - Лабораторная установка, использующая ксеноновые импульсные лампы.

Для регистрации последовательностей термограмм использовали одноволновую ИК камеру TH9100ML производства фирмы NEC Avio, Япония.

Рисунок 13 - ИК камера TH9100ML.

Далее с помощью лабораторной установки была получена последовательность термограмм, отражающая процесс нагрева образца из композита с помощью источника импульсного теплового нагружения.

Признаками дефектности (структурной неоднородности) изделий являются специфические темные и светлые структуры, появляющиеся как в исходной термограмме, так и, в особенности, на синтезированных изображениях.

Используем импульсно-фазовую термографию, поскольку наибольшие значения отношения сигнал-шум получают для фазограмм (изображений фазы температурного сигнала после применения преобразования Фурье).

Один из кадров полученной последовательности представлен на рисунок 14

Далее для упрощения и увеличения производительности обработки данных, из исходной последовательности была вырезана область интереса (ROI - region of interest). Вид области интереса представлен на рисунке 15.

Графики развития температуры для дефектной и бездефектной зон во времени (зоны показаны на Рисунке в виде эллипсов) представлены на рисунке 16

Рисунок 14. 10 - кадр исходной последовательности.

Рисунок 15 - Вид области интереса после упрощения.

Рисунок 16 - Графики развития температуры для дефектной и бездефектной зон во времени.

Хорошо видно различие средних температур для дефектной и бездефектной зоны во времени. Для дефектной зоны наблюдается увеличенные значения температур. После 100 го кадра (соответствует моменту времени 1.6 после импульса нагрева) температуры для дефектной и бездефектной зоны совпадают (температурный сигнал спадает до уровня шума тепловизора). По графику можно приблизительно определить наиболее оптимальный момент для регистрации сигнала, что соответствует 20-30 кадру. Для более точной оценки оптимального момента обнаружения сигнала использовалось отношение сигнал-шум.

Отношение сигнал-шум, является базовым при проведении процедур теплового контроля, для его определения используются выражения, представленные ниже.

Общим критерием сравнения различных процедур ТК является отношение сигнал/шум,которе определяет как :

    (7)

;

стандартное отклонение в бездефектной области(дисперсия шума),определяемое как;

           (8)

Внутренний дефект может быть надежно обнаружен оператором или автоматическим устройством, если в момент наблюдения обусловленный им сигнал превышает уровень шумов: s>1

График изменения отношения сигнал-шум для последовательности приведен на рисунке 17.

Рисунок 17 - График изменения отношения сигнал-шум

Как видно из рисунка, температурное поле для 24 кадра, соответствует максимальному отношению сигнал-шум. Вид температурного поля для 24 кадра приведен на рисунке 18.

Рисунок 18 - Температурное поле для 24 кадра (максимальное отношение сигнал-шум).

Для развитой обработки тепловизионной последовательности использовалось преобразование Фурье. Смысл преобразования Фурье состоит в применении дискретного преобразования Фурье к временному развитию температуры для I,j пикселя. В результате полается последовательность и изображений амплитуд и фаз для каждой частоты. Формула для вычисления преобразования Фурье приведена ниже.

,        (9)

где -дискретная исходная функция, содержащая  отсчетов ( термограмм в последовательности), -частота, -мнимая единица, -номер отсчета.

Рисунок 19 - Изображение амплитуды для 1 гармоники при преобразовании Фурье.

Рисунок 20 - Изображение фазы для 3 гармоники при преобразовании Фурье.

Для обработки данных использовалась копьютерная программа ThermoLab, а также математический пакет MATLAB.

Заключение

Специфика теплового метода неразрушающего контроля и технической диагностики состоит в его универсальности, обусловленной тем фактом, что информативным параметром качества исследуемых объектов является температура. Температура служит неотъемлемым индикатором работы технических установок и сложных систем, а также характеризует структурные и тепловые процессы в композиционных материалах. Расшифровка температурных распределений поставляет информацию о разнообразных процессах, протекающих в объектах контроля.

Для изучения методики понадобилось большое количество учебной и научно - технической литературы.

Изучили импульсный метод теплового контроля. С помощью галогеновых ламп, нагрели образец из углепластика и зарегистрировали данные с помощью тепловизора. Для обработки данных использовалась копьютерная программа ThermoLab и пакет MatLab.

В результате работы было установлено что, используя метод Фурье можно достаточно быстро определить наличие дефекта.

Список использованных источников

. Вавилов В.П. Инфракрасная термография и тепловой контроль. - М: Спектр - 544с.

. Википедия. Свободная энциклопедия

. В.П. Вавилов, А.И. Иванов, Д.А. Нестерук, В.В. Ширяев. Методы и экспериментальная реализация импульсного теплового контроля плазменных покрытий // Известия ТПУ/ ТПУ - Томск, 2010 - Т.317, №4: Энергетика [с.5 - 9] - (Энергетика)

. Портал о сварке.

. Союз производителей композитов.

. Д.А. Нестерук, В.П. Вавилов. Тепловой контроль и диагностика. Учебное пособие для подготовки специалистов I, II, III уровня - Томск , 2007 - 104с.

. Контроль клееных сотовых конструкций самолетов ГА с применением современных методов и средств неразрушающего контроля в эксплуатации.