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

·        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.