Title

ОСНОВЫ ВИЗУАЛЬНО-ОПТИЧЕСКОГО
КОНТРОЛЯ

Учебное пособие

1 ОСНОВЫ ВИЗУАЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОНТРОЛЯ

Преимуществами визуально-измерительного контроля (ВИК) являются:

- скорость получения информации ограничивается только скоростью распространения световых волн;

- в большинстве случаев преимуществом является отсутствие контактной среды, следовательно, отсутствие потерь и искажений, с ней связанных;

- комплексность набора получаемой информации в виде многих параметров электромагнитной волны;

- результаты оптического неразрушающего контроля (ОНК) и визуально-измерительного неразрушающего контроля (ВИК), как правило, не требуют сложной обработки для представления и интерпретации.

Ограничения визуально-измерительного неразрушающего контроля состоят в следующем:

- локальность контроля;

- в большинстве случаев при ВИК приемником является человече-ский глаз, и его отклонения от нормального состояния и особенности вос-приятия информации могут в значительной степени влиять на результаты контроля.

Рисунок 1 – Функциональная схема визуально-оптического неразрушающего контроля

Объектами контроля (ОК) при ОНК и ВИК могут быть самые разнообразные объекты машиностроения, металлургии, авиастроения, электронной промышленности. С помощью методов и средств ОНК контролируется геометрия и качество поверхностей ОК, оцениваются параметры акустических колебаний, степень износа и деформации поверхностей, и даже качество продуктов.

Функциональная схема визуально-оптического контроля представлена на рисунке 1. Источник света может быть естественным или искусственным. Во многом результаты контроля зависят от взаимного расположения источника и объекта контроля, характеристик источника, световые лучи от которого освещают объект контроля и дают возможность получать оптический сигнал. При визуальном контроле приемником оптического сигнала служит человеческий глаз, представляющий из себя сложную оптическую систему, которая в определенных пределах может приспосабливаться под условия окружающей среды. По физической природе оптическим сигналом в ОНК и ВИК являются электромагнитные волны. Для анализа сигнала и проектирования или выбора необходимых средств измерения следует выбрать математическую модель, которая бы в необходимой степени описывала оптический сигнал.

2 ИСТОЧНИКИ СВЕТА И ОСНОВНЫЕ
ФИЗИЧЕСКИЕ СВЕТОВЫЕ ВЕЛИЧИНЫ

Источником оптического излучения называют устройство, предназначенное для превращения какого-либо вида энергии в оптическое излучение. Оптическое излучение отдельных атомов, ионов, молекул, а также жидких и твердых тел возникает в результате переходов их валентных электронов из возбужденного состояния в состояние с меньшей энергией. По физической природе различают два вида оптических излучений: тепловое и люминесцентное. Тепловое излучение возникает при нагревании тел. Люминесценция – способность тел излучать под действием различного рода возбудителей (удары движущихся электронов, излучение в результате поглощения иного излучения (фотолюминесценция) и др.).

Оптическое излучение может характеризоваться тремя видами физических величин. Их использование связано с физической моделью, которая применяется для описания конкретной практической задачи.

1. Энергетические фотометрические величины (характеризуют энергию оптического излучения), в общем случае обозначаются: X_e;

2. Фотонные фотометрические величины (используют оценку количества фотонов, участвующих в излучении), X_p;

3. Редуцированные фотометрические величины (в т.ч. световые величины), X_v - величины, характеризующие оптическое излучение по его воздействию на приемник.

При ВИК чаще всего пользуются последними величинами, кроме того, именно одна из световых величин входит в Международную систему единиц величин.

Для определения «равномерности» оптического излучения введено понятие телесного угла Ω, стерадиан (ср):

где A – площадь поверхности, вырезанная на сфере конусом с вершиной в точке нахождения источника (точечного), м²;

r – расстояние от точечного источника до поверхности A.

Телесный угол не зависит от расстояния от источника, так как площадь A пропорциональна r². Телесный угол, охватывающий все пространство вокруг источника, равен 4π.

Точечный источник – это источник, который имеет небольшие размеры по сравнению с расстоянием до места наблюдения, и излучает равномерно во всех направлениях. Точечный источник света представляет собой идеализированный источник излучения.

Сила света – это физическая величина, одна из основных световых фотометрических величин, которая является одной из семи основных (независимых) величин в системе международных единиц СИ. Единицей измерения силы света является кандела (кд).

Кандела – это сила света в данном направлении от источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·10¹² Гц, энергетическая сила излучения которого в этом направлении составляет 1,683 Вт/ср.

Световой поток в свою очередь равен произведению силы света на телесный угол и измеряется в люменах (лм):

где I_v – это сила света, очевидно, что:

Световая энергия при постоянном световом потоке, (лм·с):

Яркость L_v – отношение силы света элемента поверхности к площади ортогональной проекции этого элемента на плоскость, перпендикулярную данному направлению, (кд/м²).

Одними из наиболее употребляемых световых величин являются светимость M_v и освещенность E_v, измеряемые в люксах (лк).

Светимость – это отношение исходящего светового потока к элементарной площади. Освещенность рассчитывается как отношение светового потока, падающего на элемент поверхности к площади этого элемента.

Таким образом, сила света какого-либо точечного источника не зависит от расстояния до этого источника, тогда как освещенность убывает пропорционально квадрату расстояния до источника. Это может быть выражено следующим равенством:

Не следует забывать, что мы рассматриваем достаточно малое при-ращение площадки A, поэтому считаем, что площадка перпендикулярна направлению светового потока. В случае отклонения площадки от перпендикулярности, то на значение освещенности влияет угол отклонения α.

Световые величины введены на основании зрительных ощущений человеческого глаза и не являются универсальными, как энергетические и фотонные, но являются наиболее распространенными. Ниже приведены энергетические аналоги световых описанных выше величин и их сопоставление.

Таблица 1 - Энергетические и световые величины

Энергетические величины, обозначение, ед. измерения

Световые величины, обозначение, ед. измерения

Cила излучения, I_e , Вт/ср

Сила света, I_v , кд

Поток излучения, Φ_e, Вт

Световой поток, Φ_v, лм

Энергия излучения Q_e, Дж – энергия, переносимая излучением

Световая энергия Q_e, лм·с

Энергетическая яркость L_e, Вт/ср·м²

Яркость L_v, кд/м²

Энергетическая светимость M_e , Вт/м²

Cветимость M_v , лм/м², лк

Энергетическая освещенность, облученность, E_e, Вт/м²

Освещенность E_v, лм/м², лк

3 ПОНЯТИЕ ОПТИЧЕСКОГО СИГНАЛА И ЕГО ПАРАМЕТРЫ

При ОНК и ВИК информационным сигналом является оптическое излучение (ОИ), а именно электромагнитное излучение. Электромагнитные волны – распространяющееся в пространстве возмущение (изменение состояния) электромагнитного поля. Длина волны в электромагнитных волнах, используемых при ОНК и ВИК, изменяется от 10^-9 м до 10^-3 м. В таблице 2 представлена принятая для оптического излучения классификация в зависимости от длины волны.

Таблица 2 – Классификация оптического излучения

Диапазон, λ, ед. изм.	f, Гц	Название	Определение
(10 до 380) нм	7,9·10¹⁴ … 3·10¹⁶	Ультрафиолетовое излучение (УФ)	Электромагнитное излучение, занимающее спектральный диапазон между видимым и рентгеновским излучением
(380 до 780) нм	789·10¹² … 385 ·10¹²	Видимое излучение	Электромагнитные волны, воспринимаемые человеческим глазом
(0,78 до 10³ ) мкм	385 ·10¹² …300 ·10⁹	Инфракрасное излучение (ИК)	Излучение, имеющее спектральную область между красной областью видимого света с длиной волны λ = 0,74 мкм и частотой ~ 410 ТГц и микроволновым радиоизлучением с длиной волны λ ~ 1-2 мм и частотой 300 ГГц.

Границы спектральной области видимого излучения условны. Нижняя граница обычно лежит между 380 и 400 нм, верхняя – между 760 и 780 нм.

Для обозначения дольных и кратных единиц физических величин (ФВ) часто пользуются приставками:

Таблица 3 - Дольные и кратные приставки ФВ в международной системе единиц СИ

Десятичный множитель	Приставка	Десятичный множитель	Приставка
10^-24	Иокто	10¹	Дека
10^-21	Зепто	10²	Гекто
10^-18	Атто	10³	Кило
10^-15	Фемто	10⁶	Мега
10^-12	Пико	10⁹	Гига
10^-9	Нано	10¹²	Тера
10^-6	Микро	10¹⁵	Пета
10^-3	Милли	10¹⁸	Экса
10^-2	Санти	10²¹	Зетта
10^-1	Деци	10²⁴	Иотта

Для регистрации ИК пользуются тепловыми и фотоэлектрическими приёмниками, а также специальными фотоматериалами. ИК и УФ в системах ОНК используются реже, чем излучение в видимой области спектра. ИК и УФ применяется в случаях, когда необходимо визуализировать внутреннюю структуру ОК, прозрачную в спектрах ИК или УФ, но непрозрачную в области видимого излучения. Для этого используют такие приборы как интроскопы. Большая часть интроскопов работает в ИК области спектра.

Для связи информативных параметров оптического сигнала и средства измерения (СИ) необходима физическая модель сигнала, достаточная для описания основных свойств сигнала и закономерностей его распространения. В настоящий момент существуют три физических модели, описывающих с разной степенью приближения физические процессы при ОНК и ВИКе, и которыми пользуются при разработке СИ в зависимости от целей и задачей контроля:

- геометрическая оптика;

- физическая оптика, основанная на электромагнитной теории света (в некоторых случаях ограничиваются скалярной волновой оптикой);

- квантовая оптика.

Таблица 4 – Физические модели в ОНК и ВИК

Физическая модель	Интерпретация	Средства измерения
Геометрическая оптика (первое приближение)	Позволяет объяснить простейшие оптические явления и рассматривает свет как поток лучей, распространяющихся прямолинейно; «световой луч – линия».	Оптические системы
Физическая оптика (второе приближение)	Рассматривает излучение как электромагнитную волну (ЭВ), то есть колебания векторов электромагнитного поля – светового вектора E (вектора напряженности электрического поля) и вектора напряженности магнитного поля H	Интерферометры
Квантовая оптика (третье приближение)	Рассматривает свет как поток фотонов – квантов электромагнитного поля	Лазеры

В таблице 4 приведено краткое описание существующих моделей оптического излучения и примеры реализованных на них СИ.

4 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИКИ

Интерференция света – пространственное перераспределение энергии светового излучения при наложении двух или нескольких световых волн, частный случай общего явления интерференции волн. Интерференцию света можно объяснить только с использованием волновой теории света. Некоторые явления интерференции исследовались ещё И. Ньютоном в 17 веке, но не могли быть им объяснены с точки зрения его корпускулярной теории. Полное объяснение интерференции как типичного волнового явления было дано в начале 19 века Т. Юнгом и О. Френелем. Наиболее простым примером интерференции волн может быть «опыт Юнга», показанный на рисунке 2, который стал доказательством волновой природы света, а в настоящее время часто применяемый для реализации различных оптических устройств.

Рисунок 2 – Опыт, доказывающий волновую природу света

В этом опыте свет от источника, распространяющийся плоским фронтом, попадает сначала на отверстие на первом экране, далее на симметрично расположенные щели на втором экране, которые становятся вторичными когерентными излучателями сферических волн. При этом на некотором расстоянии от второго экрана можно наблюдать интерференционную картину – усиление или ослабление амплитуды результирующей волны в зависимости от соотношения между фазами складывающихся в пространстве волн. Для интерференции необходима когерентность волн - согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов. Когерентные волны – это волны одной частоты (и, соответственно, одной длины волны λ), колебания которых отличаются постоянной разностью фаз.

Используя интерференцию волн, можно определять расстояния (толщины), углы, длину волны, показатели преломления. Это дает возможность проверять, например, качество поверхности по интерференционной картине в тонком слое-зазоре между изделием и шаблоном.

Явление интерференции используют для улучшения качества оптических приборов (просветление оптики), а именно для уменьшения потерь из-за отражения света от границы воздух-стекло и уменьшения бликов путем нанесения на линзы тонких пленок с показателем преломления меньшим, чем у основного материала. Это приводит к тому, что отраженные от двух поверхностей пленки волны интерферируют и «гасят» друг друга, соответственно, блики уменьшаются.

Абсолютный показатель преломления – отношение скорости света в вакууме к фазовой скорости света в данной среде. Относительный показатель преломления – отношение скорости света во второй среде 2 к скорости света в первой среде 1.

Дифракция света

Явление дифракции демонстрирует отклонение распространении световых волн от прямолинейного распространения в нарушение законов геометрической оптики. Для любого волнового явления свойственно явление дифракции. Его проявлениями является появление дифракционных колец или полос на большом расстоянии от препятствия при прохождении светового потока через отверстие или узкую щель.

Поляризация света

Как отмечалось ранее, свет имеет электромагнитную волновую природу. Электромагнитная волна - это поперечная волна, то есть векторы напряженностей Е и Н колеблются в плоскостях, перпендикулярных направлению распространения волн (рисунок 3). Вектор напряженности электрического поля колеблется в плоскости xy, вектор напряженности магнитного поля колеблется в плоскости xz, за счет этого электромагнитные волны обладают еще одним свойством – поляризация.

Рисунок 3 – Распространение электромагнитной волны

Впервые эффект поляризации наблюдали ученые при прохождении световых лучей через кристалл исландского шпата (рисунок 4).

Рисунок 4 – Поляризация световых волн в кристалле

Кристалл преломляет световой луч на два луча, направление выходящих лучей зависит только от поворота кристалла. Это объясняется тем, что кристалл имеет анизотропную структуру, то есть возможность пропускания волн в разных направлениях - различная. Таким образом, направление выходящих лучей зависит только от ориентации кристалла и меняется вместе с его поворотом. Кроме того, этот эксперимент свидетельствует о том, что электромагнитная (световая) волна – поперечная.

Для осмысления данного физического явления рассмотрим пример, когда распространяется поперечная волна в твердом теле, ее мода изоб-ражена на рисунке 5. Частицы колеблются по оси y в плоскости yz. При повороте препятствия с щелью на 90^o, волна затухает. Щель – это модель структуры кристалла, который в одних направлениях может пропускать поперечную волну (как показано на рисунке), в других – нет.

Рисунок 5 – Пример поляризации волны

В том случае, если бы световые волны были продольными, продоль-ная волна проходила бы через кристалл, не меняя своего направления.

Дисперсия света (разложение света) - совокупность оптических явлений, обусловленных зависимостью комплексной диэлектрической про-ницаемости ɛ от частоты ω (f) световой волны и её волнового вектора k. Дисперсия обусловливает рассеяние света на неоднородностях. Дисперсией объясняются такие явления, как различие коэффициентов отражения и преломления для одного материала при различных длинах волн. Для прозрачных веществ характерна нормальная дисперсия. Нормальной называется дисперсия, когда с ростом частоты f (и уменьшением длины волны λ) монотонно возрастает коэффициент преломления n. Один из са-мых наглядных примеров дисперсии – разложение естественного света при прохождении его через призму.

Причиной дисперсии является неодинаковая скорость распространения лучей света с различной длиной волны λ и, соответственно, частотой f. Чем больше частота волны, тем больше показатель преломления и меньше ее скорость в среде.

- у красного света максимальная скорость в среде и минимальная степень преломления;

- у фиолетового цвета минимальная скорость света в середе и максимальная степень преломления;

- в вакууме скорости света разного цвета одинаковы.

Следует отметить, что в данном описании понятие «цвет» напрямую связан с длиной волны, у волн «красного» цвета – минимальная частота, у волн «фиолетового» цвета – максимальная частота.

Рисунок 6 – Преломление света в призме

В таблице 4 представлены основные параметры волн видимого диапазона излучения.

Таблица 5 – Параметры световых волн видимого диапазона

В некоторых веществах наблюдается эффект аномальной дисперсии, в этом случае могут наблюдаться различные эффекты – например, когда показатель преломления среды уменьшается с увеличением частоты световых колебаний.

Прохождение света через оптически неоднородную среду сопровождается рассеянием света, связанным с возбуждаемыми в среде вторичными когерентными волнами.

5 ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА

В первом приближении световое излучение рассматривает геометрическая оптика, по законам которой свет состоит из множества световых лучей, которые распространяются по прямым линиям. Первое основополагающее допущение геометрической оптики состоит в следующем: в прозрачной однородной среде свет распространяется по прямым линиям.

Следующим допущением является независимость хода световых лучей.

Основными законами геометрической оптики являются законы отражения и преломления света на границах раздела сред с разными характеристиками:

- Падающий, отраженный и преломленный лучи лежат в одной плоскости с нормалью к границе раздела сред, причем угол падения равен углу отражения, а углы падения и преломления связывает равенство:

где n₂₁ – относительный показатель преломления второй среды относительно первой. Формула (1) связывает углы падения и преломления, тогда как физически показатель преломления показывает отношения скоростей распространения электромагнитных волн в разных средах.

Если n₂₁ < 1, то есть r > i, значит первая среда более оптически плотная, т.о. существует такой предельный угол iпр, при котором r = 90^o.

При дальнейшем увеличении i в первой среде (например стекле, граничащем с воздухом) будет наблюдаться эффект полного внутреннего отражения. Благодаря этому эффекту создано много технических устройств, например, оптоволоконные системы, способные практически без потерь передавать сигнал на большие расстояния. Сигнал, поступая с одного конца оптоволокна под большим углом, вынужден отражаться от внутренних стенок и проходить по волокну, как по направляющей, на большие расстояния.

Оптическая система – это совокупность оптических деталей (линз, призм, зеркал и т.п.), предназначенная для определенного формирования пучков световых лучей. Примеры оптических систем: микроскоп, телескопические системы, объективы, проекционные системы.

Наиболее простым способом осмотра поверхностей, наклоненных менее чем на 30^o к зрительной оси, является их осмотр с помощью зеркал. Комбинация зеркал может позволить поворот изображения. Для изготовления зеркальных поверхностей используют в основном серебро, алюминий и хром.

Линза – оптическое устройство, ограниченное преломляющими поверхностями, из которых хотя бы одна является поверхностью вращения. По оптическим свойствам линзы делят на две основные группы – положительные (собирательные) и отрицательны (рассеивающие). Наиболее распространенными являются сферические линзы (со сферическими поверхностями). Прямая, идущая через оптический центр линзы, называется оптической осью линзы. Лучи, идущие вдоль этой оси, не претерпевают изменений, остальные лучи преломляются и пересекаются в одной точке. Данная точка называется фокусом линзы F (рисунок 7).

Рисунок 7 – Преломление световых лучей в собирающей линзе, F – задний фокус линзы

В рассеивающей линзе фокус лежит слева, и называется передним фокусом. Оптическая сила линзы определяется оптическим расстоянием f, которое зависит от характеристик самой линзы (кривизны, материала, толщины) и измеряется в диоптриях:

6 ФИЗИЧЕСКАЯ ОПТИКА

Электромагнитная теория света берет начало с работ Максвелла и рассматривает световое излучение как электромагнитную волну (ЭВ), где присутствуют и неразрывно связаны два вектора электромагнитного поля: вектор E напряженности электрического поля (световой) и вектор напряженности магнитного поля H. Эти два вектора колеблются в двух взаимно перпендикулярных направлениях и в то же время лежат в плоскостях, перпендикулярных направлению распространения волны (см. рисунок 3). Скорость ЭВ в веществе с отличающимся от вакуума коэффициентом преломления равна:

где с – скорость света в вакууме, ε – диэлектрическая проницаемость вещества, μ – магнитная проницаемость вещества.

Полный расчет электромагнитного поля требует значительного математического опыта и полного набора исходных данных, поэтому не всегда целесообразен. Во многих практических случаях используют так называемую скалярную оптику, которая базируется на принципе Гюйгенса-Френеля: всякая точка пространства, до которого дошла световая волна, сама служит источником вторичных сферических когерентных волн. Использование данного принципа справедливо, когда длина волны много меньше характерных расстояний в практической задачи. Так как длины волн в практических задачах ОНК и ВИК малы (сотни мкм для видимой области спектра), то данное условие при реализации методов и схем оптического контроля выполняется.

7 КВАНТОВАЯ ОПТИКА

Квантовой оптикой называют раздел оптики, занимающийся изучением явлений, в которых проявляются квантовые свойства света. Необходимость в применении квантовой оптики возникает при описании поглощения и излучения световой энергии атомами вещества. К таким явлениям относятся: тепловое излучение, фотоэффект, эффект Комптона, эффект Рамана, фотохимические процессы, вынужденное излучение (и, соответственно, физика лазеров).

В квантовой оптике свет – это поток фотонов. Фотон – квант электромагнитного поля с энергией ε = hω, где h = 1,05 ·10^-34 Дж · с – постоянная Планка. При переходе электронов в атоме на разные энергетические уровни излучаются или поглощаются кванты энергии - фотоны. Только в квантовых моделях находят объяснение рассеяние, поглощение и дисперсия света. Появление различных по энергетической вместимости фотонов объясняет различный спектр излучений, данный физический процесс лежит в основе спектрального метода ОНК.

8 СВЕТОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Для проведения работ ОПН и ВИК, создания нужного освещения при проведении работ с оптическими приборами широко используются различные приспособления – отражатели, рассеиватели, экраны, защитные стекла, светофильтры и др.). Материалы, которые применяются для изготовления этих устройств могут иметь различные параметры: коэффициенты отражения, преломления и поглощения, свойства (способность) поляризовать световые лучи, изменять спектральный состав пропущенного света и др. Световой поток, падающий на материал, может быть отражен, поглощен и пропущен материалом. Для количественной оценки этих эффектов введены коэффициенты отражения ρ, поглощения α, пропускания τ. Они определяются соотношениями соответственно отраженного, поглощенного и пропущенного световых потоков к падающему световому потоку. Определенные таким образом коэффициенты ρ, α, τ являются усредненными величинами для характеристик падающего излучения и материала во всей области спектра, хотя большинство материалов по-разному взаимодействуют с излучением с разной длиной волны. Для описания этого явления вводят характеристики взаимодействия материала с монохроматическим излучением (одной длины волны), являющимися частными коэффициентами ρ_λ, α_λ, τ_λ.

Изменение этих коэффициентов в зависимости от длины волны излу-чения изображают как спектральные характеристики ρ_λ = f(λ).

Основные светотехнические характеристики для светотехнических материалов приведены в таблице 3.

Таблица 6 - Светотехнические характеристики

Характеристика	Обозначение, ед. измерения	Определение
Нормальный показатель преломления	n_D, отн. ед.	- для излучение с длиной волны 589 нм;
Степень рассеяния (для светопропускающих материалов)	γ =I₄₀/I₀	I₄₀ и I₀ - силы света от светового пятна на образце в проходящем свете под углами 40^o и 0^o к нормали поверхности образца
Коэффициент рассеяния δ (для светоотражающих материалов)		L₂₀, L₇₀, L₅ - яркости светового пятна на образце под углами 20^o, 70^o и 5^o к нормали поверхности образца
Продольная кривая (индикатриса) рассеяния светового потока	i_e (e)	Получается при пересечении фотометрического тела рассеяния плоскостью, проходящей через нормаль и максимальный радиус-вектор силы света.
Показатель белизны	W	- величина, численно характеризующая близость отражающих свойств измеряемого образца к идеально белой поверхности
Цвет и цветность материала	-	-

Для некоторых светотехнических материалов могут использоваться и другие характеристики: степень поляризации, оптическая плотность, цветовая отдача.

9 СРЕДСТВА ОПТИЧЕСКОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ

Средства измерения ОНК и ВИК делятся на несколько типов по принципу действия:

Визуально-фотометрические ОИС – средство измерения, содержащее оптическую систему, состоящую из набора линз или зеркал, и непосредственно приемник. Оценку производит сам оператор. В основе данных СИ лежат модели геометрической оптики. Исторически это первые методы и средства ОНК.

Интерференционные ОИС - высокоточные СИ, в составе которых содержится интерферометр, позволяющий определять амплитуду, фазу сигнала (ЭВ). В качестве математической модели использована скалярная волновая теория света.

Поляризационные ОИС – СИ, содержащее поляриметр, основным информативным сигналом служит степень поляризации электромагнитной волны. К данным СИ можно так же отнести эллипсометры.

Спектральные ОИС – СИ, содержащие анализаторы спектра – приборы для наблюдения и измерения относительного распределения энергии электрических (электромагнитных) колебаний в полосе частот. Широко применяются для анализа химического состава ОК.

10 МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
ВИЗУАЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОНТРОЛЯ

При оптическом и визуально-измерительном контроле важным остается точность измерений. Под точностью измерений понимается качество измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины. Для работы с понятием точности рассмотрим основные понятия теории измерений и метрологии. Научной основой метрологического обеспечения является наука метрология, в т.ч. теоретическая метрология.

Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Чем более точно проводится измерение, тем меньше погрешность измерения физической величины.

Анализ и оценивание погрешностей измерений представляет собой один из разделов метрологии. Погрешностью называется отклонения результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Еще одним, новым для отечественной метрологии понятием, является неопределенность измерения. Неопределенность - это тоже показатель точности, который выражается с помощью оценки вероятности попадания результата измерения в заданный диапазон значений. Погрешность может быть абсолютной, выражается в единицах измерения величины, и относительной, и выражаться в процентах или промилле (сотых или тысячных долях единицы ФВ).

Истинное значение физической величины – это значение физической величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношении соответствующее свойство объекта.

Кроме того, в практике инженера часто возникает необходимость работать с чертежами, и без знаний элементарных основ теории технических измерений это невозможно. Рассмотрим понятие размера. Размер – это числовое значение линейной величины (диаметра, длины и т.п.) в выбранных единицах измерения. Существует понятие номинального размера. Номинальный размер – это размер, который наносится на чертеж и служит опорным при обозначении предельных отклонений геометрического размера. Предельное отклонение – это алгебраическая разность между предельным и соответствующим номинальным размерами. Различают верхнее и нижнее предельные отклонения. На чертеже обозначается но-минальный размер и его предельные отклонения, которые задают те пределы, в которых размер допустимо может колебаться. Реже может применяться общий допуск размера – это предельные отклонения, т. н. допуски, линейных или угловых размеров, указываемые на чертеже или в других технических документах общей записью (специальным обозначением) и применяемые в тех случаях, когда допуски не указаны индивидуально у соответствующих номинальных размеров. На производстве для контроля предельных размеров наиболее часто используют шаблоны, проходные и непроходные, либо более сложной конструкции.

Соединение, в котором присутствует вал (болт) и отверстие (втулка, гайка, шайба) называют системой «вал-отверстие». Общий размер для системы «вал-отверстие» и является номинальным размером. Его определяют на стадии проектирования расчетным методом. В целях унификации размерного ряда был введен ГОСТ 6636-69 «Нормальные линейные размеры», в котором предусмотрено несколько размерных рядов Ra 5, Ra 10, Ra 20, Ra 40, а также один дополнительный ряд Ra 80. в каждом размер-ном ряду содержится 5, 10, 20, 40, 80 чисел. При выборе ряда предпочтение следует отдать рядам более никого ранга (Ra 5 предпочесть Ra 10). Основными преимуществами унификации номинальных размеров состоит в экономическом эффекте и обеспечении взаимозаменяемости деталей.

Наибольшие допускаемые погрешности измерений в зависимости от допусков IT приведены в приложениях ГОСТ 8.051 Погрешности, допускаемые при измерении линейных размеров до 500 мм.

Погрешности по причине возникновения делятся на грубые, систематические и случайные.

Систематические погрешности возникают по причине влияния неслучайных факторов, например, влиянии погрешности средств измерения на результат измерения или настройки точности станков при обработке заготовки.

Появление случайной погрешности невозможно заранее предугадать.

Грубые погрешности, или выбросы – это ошибочная запись результата измерения, данный результат не должен учитываться в дальнейших расчетах.

11 ОПТИКА ГЛАЗА

Зрительный аппарат человека – сложная система, которая обладает не только большими возможностями, но и некоторыми особенностями и ограничениями.

Глаз человека имеет шарообразную форму, диаметр его приблизи-тельно равен 2,5 см, он окружен тремя оболочками. Склера защищает глаз от механических повреждений и является наиболее прочной внешней оболочкой. С внутренней стороны к склере прилегает сосудистая оболочка, в передней части переходящая в цветную радужную оболочку. Радужка имеет отверстие – зрачок, диаметр которого в зависимости от освещения может меняться от 2 до 8 мм в диаметре.

Рисунок 8 – Строение глаза человека

Свет, попадая через зрачок, преломляется на хрусталике и стекловидном теле, изображение попадает на сетчатку. Путем сокращения мышц, держащих хрусталик, возможно изменение его кривизны и, соответственно, оптической силы от 19 до 33 дптр. Таким образом, человек «наводит резкость». В нормальном глазе фокус зрения находится на сетчатке и человек отчетливо видит удаленные предметы. После того, как изображение попало на сетчатку, зрительный нерв от рецепторов, находящихся на сетчатке, передает сигнал в мозг.

Особенности зрения человека

Бинокулярное зрение – способность человека воспринимать изображение предмета одновременно обоими глазами. Так как мозг воспринимает два изображения с двух глаз одновременно, то мы видим предметы в трех измерениях, объемно. Бинокулярное зрение позволяет более точно оценивать расстояние до предметов и взаимное расположение предметов.

При очень больших расстояниях до предмета угол расхождения лучей, идущих от предмета, мал, и оси обоих глаз практически параллельны, вследствие чего ощущение глубины пространства теряется. Некоторые оптические приборы предназначены увеличивать этот угол за счет увеличения базы между объективами прибора.

При визуально-измерительном контроле важной остается степень различимости объектов, которая зависит от большого количества факторов – биофизики глаза наблюдателя, контраста, цвета, яркости, угловых размеров объектов, резкости их контуров и условий освещения (направленности, конструкции источника, рассеяния света). В общем случае контраст - разница в характеристиках различных участков изображения, способность фотографического материала или оптической системы воспроизводить эту разницу, а также характеристика чувствительности глаза (зрительной системы) относительно яркости и цвета. Наиболее ясная различимость объекта возможна при большом контрасте фона и изображения, либо участков изображения.

Мерой контраста является относительная величина:

где B_ф – яркость фона, B₀ – яркость предмета или изображения. Порогом контрастной чувствительности человеческого глаза считается значение К=0,02 при дневном освещении и угловых размерах объекта не менее 0,5^o.

При ВИК в реальных условиях осмотра контраст должен быть 0,05 и более, что объясняется в основном плохой освещенностью производственных помещений, малыми угловыми размерами дефектов (трещины, волосовины), субъективными факторами, отклонениями зрения от нормального.

Цветоощущение глаз

Градация цвета в зависимости от длины электромагнитной волны видимого диапазона была приведена в таблице 5. Кроме прочих особенностей, глаз человека имеет способность к цветоощущению, или цветовой чувствительности, цветовому восприятию – способность зрения воспринимать и преобразовывать световое излучение определённого спектрального состава в ощущение различных цветовых оттенков и тонов, формируя целостное ощущение цвета объекта. Цвета делят на ахроматические (оттенки серого, белый, черный) и хроматические (все остальные).

Заболевания глаз

У многих людей присутствуют отклонения от нормального зрения. Наиболее распространенными заболеваниями являются близорукость и дальнозоркость. При близорукости фокус зрения находится перед сетчаткой, при дальнозоркости – за сетчаткой. При этом человек не может принудительно «настроить резкость» для того, чтобы видеть четко. Для устранения данных дефектов зрения используют либо рассеивающие линзы (при близорукости), либо собирающие (при дальнозоркости). При подборе нужных линз изображение проецируется на сетчатку, и глаз видит четко.

Интересными с точки зрения изучения являются оптические иллюзии, большинство которых объясняются строением глаза человека. Также бывают нарушения цветоощущения глаз.

12 МЕЖДУНАРОДНЫЕ И ЕВРОПЕЙСКИЕ СТАНДАРТЫ
В ВИЗУАЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОМ КОНТРОЛЕ

Отечественная база нормативных документов в настоящий момент не располагает необходимыми документами для проведения визуально-измерительного контроля, однако существует большое количество международных стандартов, регулирующих деятельность в этой области. Рассмотрим основные международные стандарты в области ВИК.

EN 25817 Стальные соединения, выполненные дуговой сваркой. Руководство по определению уровней качества стальных сварных соединений в зависимости от дефектов шва.

EN 970:1997 Неразрушающий контроль сварных швов, выполненных сваркой плавлением. Визуальный контроль.

EN 30042 – 1994. Соединения из алюминия и свариваемых сплавов, выполненные дуговой сваркой. Руководство по установлению уровня качества в зависимости от дефектов.

EN 13018 : 2001. Европейский стандарт. Неразрушающий контроль. Визуальный контроль. Часть 1. Общие принципы.

EN 13927 Неразрушающий контроль. Контроль визуальный. Оборудование.

EN 1330-10 Non-destructive testing. Terminology. Terms used in visual testing (Неразрушающий контроль. Терминология. Термины, используе-мые при визуальном контроле).

EN 12062 : 1997 Неразрушающий контроль сварных конструкций. Общие правила для металлических материалов. Уровни приемки.

Стандарт EN 25817 устанавливает три уровня качества, предназначенные для выработки справочных данных и не содержит практических указаний для проведения ВИК.

EN 970 содержит некоторые практические рекомендации, например, устанавливает требования к освещенности контролируемой поверхности – не менее 350 лк, рекомендуемая освещенность при этом должна составлять 500 лк. Подлежащая контролю поверхность должна рассматриваться под углом более чем 30^o и с расстояния до 600 мм.

Основные общие требования к ВИК устанавливает EN 13018. В настоящее время готовится к опубликованию Национальный стандарт Российской Федерации ГОСТ Р ЕН 13018 – 20 Визуальный контроль. Общие положения, который является аналогом этого европейского стандарта. Данный европейский стандарт устанавливает общие принципы визуального контроля, как прямого, так и косвенного, когда он применяется для определения соответствия изделия конкретным требованиям (например, по состоянию поверхности детали, по совмещению сопрягающихся поверхностей, по форме детали), но не применяется для наблюдения за деятельностью, связанной с использованием любого другого разрушающего или неразрушающего метода контроля. Основные требования, а также термины этого стандарта изложены ниже.

Прямой визуальный контроль - визуальный контроль, при котором световой луч, связывающий глаз и контролируемую область, не прерывается. Глаз – невооруженный или используются, например, зеркало, линза, эндоскоп или волоконная оптика.

Косвенный визуальный контроль - визуальный контроль, при котором световой луч, связывающий глаз и контролируемую область, прерывается. При косвенном визуальном контроле можно использовать фотографию, видеосистемы, автоматические системы и роботов.

Стандарт устанавливает жесткие требования к входной документации на контроль.

При проведении ВИК должна быть написана инструкция, которая содержит минимальные требования к контролю:

1) контролируемый объект, его расположение, доступ к нему и геометрия;

2) объем контроля;

3) способ и последовательность выполнения контроля;

4) состояние поверхности;

5) подготовка поверхности;

6) этап изготовления или срок службы на момент выполнения контроля;

7) требования к персоналу (согласно требованиям ЕН);

8) критерии приемки;

9) освещение (тип, уровень и направление);

10) оборудование визуального контроля, которое должно использоваться;

11) документация, оформляемая после контроля (согласно требованиям ЕН).

Если необходимо (например, в соответствии со стандартом, контрактом), то должна быть подготовлена письменная процедура.

Прямой визуальный контроль обычно может выполняться для ло-кального визуального осмотра, если доступ достаточен для положения глаза до 600 мм от контролируемой поверхности при угле не менее 30^o относительно контролируемой поверхности. Для улучшения угла зрения при контроле можно использовать зеркала, а также вспомогательные устройства, такие, как увеличительные линзы, эндоскоп и волоконная оптика.

При обзорном визуальном контроле прямой визуальный контроль может быть также выполнен при большем расстоянии «глаз-поверхность», чем 600 мм. Должна быть выдержана подходящая дистанция для обзора.

При контроле конкретная часть, деталь, сосуд или их части при необходимости должны освещаться вспомогательным источником света для получения освещенности не менее 160 люкс для обзорного визуального контроля и не менее 500 люкс для локального визуального контроля.

При применении освещения в целях достижения максимальной эффективности контроля следует рассматривать необходимость:

1) использования оптимального направления света по отношению к рассматриваемой точке;

2) устранения ослепляющего блеска;

3) оптимизации цветовой температуры источника света;

4) использования уровня освещения, совместимого с отражательной способностью поверхности.

При невозможности выполнения прямого визуального контроля можно применять косвенный визуальный контроль. При косвенном визуальном контроле используют такие оптические средства, как эндоскопы и волоконную оптику, сочлененную с камерами или другими подходящими приборами.

Должна быть подтверждена пригодность системы косвенного визуального контроля для выполнения поставленной задачи.

Персонал, выполняющий контроль в соответствии со стандартом EN 13018, должен быть способным показать, что он:

а) знаком с необходимыми стандартами, правилами, техническими условиями, оборудованием, процедурами или инструкциями;

б) знаком с основными используемыми производственными процедурами и (или) с условиями работы деталей, которые необходимо контролировать;

в) должен иметь удовлетворительное зрение в соответствии со стандартом EN 473. Кроме того, для выполнения обзорного визуального контроля дальнее зрение должно проверяться с использованием стандартной оптопары в соответствии со шкалой 0,63 остроты зрения по стандарту EN ISO 8596 по меньшей мере для одного глаза, скорректированного или не скорректированного оптикой. Зрение должно проверяться не реже, чем один раз в 12 месяцев.

Любой визуальный контроль должен оцениваться в терминах конкретных критериев приемки (например, стандарта на изделие, контракта).

Если требуется, например, стандарт на изделие или контракт, то должен быть составлен письменный отчет о контроле, в котором должны быть указаны:

- дата и место контроля;

- использованный метод (прямой или косвенный контроль);

- критерии приемки и (или) письменная процедура или инструкция;

- использованное оборудование и (или) система, включая настройку;

- ссылка на заказ клиента;

- наименование организации, выполнявшей контроль;

- описание и идентификация проконтролированного объекта;

- подробное описание обнаруженных дефектов в соответствии с критериями приемки (например, размер, местоположение);

- объем контроля;

- имя и подпись лица, выполнявшего контроль, и дата;

- имя и подпись лица, инспектировавшего контроль, и дата (если требуется);

- маркировка проконтролированной детали, если необходимо;

- результаты.

Записи должны содержаться в соответствии с требованиями стандарта на изделие или контракта.

В стандарте EN 12062 на основе предварительных данных о качестве, материале, виде сварки, толщине сварных швов и объеме контроля содержатся указания по выбору вида НК и по оценке его результатов с точки зрения качества. Тело стандарта содержит таблицы для выбора метода НК. Стандарт определяет общие правила и нормы, применяемые при различных видах контроля как с точки зрения методологии, так и уровней приемки. Уровни приемки не являются прямой интерпретацией уровней качества, определенных в стандартах EN 25817 или EN 30042, так как они связаны с общим качеством изготовленных сварных соединений. Указания стандарта относительно уровней приемки при НК скорректированы с уровнями качества, определенными в стандартах EN 25817 и EN 30042 (низкий, средний и высокий), только в общем виде, а не конкретно для каждой индикации дефекта.

ОСНОВЫ ВИЗУАЛЬНО-ОПТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ