Курсовая работа (т): Реализация импульсного метода в тепловом неразрушающем контроле изделий из композитов

.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: