Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ ИК-ДЕФЕКТОСКОПИИ
СПОСОБ ИК-ДЕФЕКТОСКОПИИ

СПОСОБ ИК-ДЕФЕКТОСКОПИИ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Изобретение относится к бесконтактным способам контроля дефектов и теплофизических параметров материалов. Способ заключается в регистрации фотоприемником, синхронно и независимо от одной и той же зоны объекта, имеющего температуру в диапазоне 400 - 600 К, в двух спектральных диапазонах 2 - 5 мкм и 8 - 14 мкм фотосигналов и скорости их изменения, вызванных ИК-излучением из нагретой коротким импульсом лазера точечной зоны объекта, и определении теплофизических параметров и глубины залегания дефектов путем деления отношения скорости изменения к сигналу одного спектрального диапазона на отношение скорости изменения к сигналу другого спектрального диапазона. Для этого используется двухспектральный ИК-фотоприемник типа сэндвич, чувствительные элементы которого имеют идентичные пространственно-частотные характеристики. Способ устраняет влияние излучательной способности объекта на результаты измерений и дает возможность повысить инструментальную точность за счет исключения аппаратных функций обоих спектральных диапазонов. 2 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

   С помощью Яндекс:  

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2059230
Класс(ы) патента: G01N25/72
Номер заявки: 92007717/25
Дата подачи заявки: 27.11.1992
Дата публикации: 27.04.1996
Заявитель(и): Государственное научно-производственное предприятие "Исток"
Автор(ы): Берников Е.В.; Гапонов С.С.; Туринов В.И.
Патентообладатель(и): Государственное научно-производственное предприятие "Исток"
Описание изобретения: Изобретение относится к измерительной технике, а именно к неразрушающему контролю качества материалов, и может быть использовано при разработке и производстве изделий электронной техники.
Известен способ определения коэффициента темпеpатуропроводности материала [1] заключающийся в подаче теплового импульса на поверхность исследуемого объекта, последующем измерении температуры в двух его точках и определении температуропроводности расчетным путем. Для повышения точности измерения производят измерение температуры в дополнительной точке, расположенной между основными.
Недостатки этого способа: область применения способа ограничена, так как неизбежны большие погрешности при измерении объектов неправильной формы из-за необходимости контактирования термодатчиков с объектом; низкая чувствительность способа к пространственным колебаниям коэффициента температуропроводности, так как измеряется усредненная величина температуропроводности по объекту между точками установления термодатчиков.
Известен способ контроля качества паяных соединений и устройство для его осуществления [2] Способ заключается в измерении скорости нагрева и охлаждения соединения при импульсном воздействии лазерного излучения и сравнении тепловых характеристик исследуемого соединения с эталонным, что позволяет обнаружить непропай, пустоты, трещины и отслаивание металлизации.
Устройство для осуществления способа содержит лазер, ИК-датчик и систему автоматического сканирования в соответствии с программой.
Указанные способ и устройство характеризуется низкой точностью. Введение операции сравнения с эталоном не устраняет этот недостаток, так как невозможно создать два идентичных образца, особенно в условиях производства паяных соединений с одинаковым распределением теплофизческих характеристик. Кроме того измеряемое среднее значение скорости охлаждения не дает возможности оценить глубину залегания дефекта.
Наиболее близким к предлагаемому является способ импульсной видеотермографии [3] в котором материалу сообщается тепловой импульс и в случае наличия дефектов в объекте (поры, включения и т.п.) на его поверхности возникнут соответствующие изменения температуры. Устройство, осуществляющее описанный способ, содержит источник теплового импульса, например лазер, нагревающий исследуемый объект; ИК-фотоприемник и устройство видеозаписи теплового изображения поверхности объекта. Покадровое воспроизведение видеозаписи позволяет обнаружить имеющиеся дефекты.
Недостатки этого способа: область применения способа ограничена, так как он не позволяет исследовать дефекты в объектах с неизвестными и неоднородными теплофизическими параметрами и излучательной способностью; способ не дает возможности определить теплофизические параметры исследуемых объектов, так как фотосигнал одного спектрального диапазона является сложной функцией по меньшей мере четырех параметров температуропроводности, теплопроводности, глубины залегания дефектов и излучательной способности объекта, три из которых должны быть известны, например, для определения глубины залегания дефекта.
Цель изобретения повышение чувствительности и информативности контроля дефектов и теплофизических параметров материалов.
Цель достигается тем, что в известном способе ИК-дефектоскопии, заключающемся в подаче на объект теплового импульса от источника тепловых импульсов, регистрации фотоприемником скорости изменения фотосигнала и определения параметров дефектов, регистрируют синхронно и независимо фотосигналы I1, I2 и скорости их изменения (dI1/dτ), (dI2/d τ) в двух спектральных диапазонах 2-5 мкм и 8-14 мкм от одной и той же зоны объекта, имеющего температуру в диапазоне 400-600 К, а теплофизические параметры и глубину залегания дефектов определяют путем деления отношения (dI1/dτ)/I1 одного спектрального диапазона на (dI2/dτ)/I2 другого спектрального диапазона, при этом для регистрации используют двухспектральный фотоприемник типа сэндвич, с чувствительными элементами, имеющими идентичные пространственно-частотные характеристики.
Сущность предложенного способа заключается в том, что указанные выше четыре измеренные величины позволяют устранить влияние излучательной способности поверхности объекта в том и другом спектральном диапазонах и определить два неизвестных параметра глубину залегания подповерхностных дефектов и температуропроводность материала объекта. Для этого рабочий диапазона температур объектов выбран равным 400-600 К, в котором для диапазонов 2-5 мкм и 8-14 мкм справедливы соответственно законы Вина и Релея-Джинса, что дает возможность получить в аналитическом виде выражения для четырех измеренных величин Ii и (dIi/d τ) и произвести с ними необходимые математические операции для определения искомых параметров объекта. Способ дает возможность повысить инструментальную точность за счет исключения аппаратных функций обоих спектральных диапазонов.
Отметим особенность "сэндвич" ИК-фотоприемника, имеющего указанные спектральные диапазоны. Известно, что S2 (8-14 мкм)/S1 (2-5 мкм) ≈ 2,0 и [dWλ/dT (8-14 мкм)]/[dWλ/dT (2-5 мкм)] ≈ 10, например, для Т 330 К. Отсюда (dI2/dτ)/(dI1/dτ) ≈ 20. Поэтому, осуществляя предложенный способ с двухспектральным фотоприемником, получают два диапазона чувствительности: "Тонко" (8-14 мкм), чувствительного к слабым изменениям ΔТ, т.е. к мелким неоднородностям и дефектам на малой глубине от поверхности объекта: "Грубо" (2-5 мкм), чувствительного к большим изменениям ΔТ, т.е. только к средним неоднородностям и дефектам на средних глубинах.
На фиг.1 дана схема устройства для ИК-дефектоскопии, где приняты обозначения: объект 1, лазер 2, двухспектральный ИК-фотоприемник 3, система 4 сканирования, фокусирующая система 5, дифференциаторы 6, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 7, блок 8 накопления и отображения информации (БНО), ЭВМ 9, видеоконтрольное устройство (ВКУ) 10; на фиг.2 схема двухспектрального ИК-фотоприемника типа сэндвич, где обозначены: элемент 11 чувствительный в спектральном диапазоне 2-5 мкм. элемента 12, чувствительный в спектральном диапазоне 8-14 мкм; корпус структуры 13, диафрагма 14, электрические выводы 15.
Для пояснения сущности изобретения выведем ряд математических соотношений и подробно рассмотрим физические процессы, происходящие при осуществлении способа.
Допустим, на исследуемый непрозрачный объект (например, металлическая пленка на поверхности диэлектрика) подается короткий (примерно 10-9 с) импульс сфокусированного лазерного излучения, который приводит к нагреву локальной зоны на поверхности объекта до температуры Т (у 0, τ 0).
Изменение температуры нагретой поверхности объекта, который имеет поверхностный слой толщиной а или глубиной d, залегает дефект, описываемый зависимостью:
T(y= 0, τ) t+ 1-h(-h)n-1·2·exp- , (1) где τ- время; Q (Дж/см2) сила мгновенного источника тепла, действующего на поверхности в результате нагрева излучением лазера; а1 g1/q1ρ1 температуропроводность; g1 коэффициент теплопроводности; q1- удельная теплоемкость; ρ1 плотность поверхностного слоя объекта; h (1 Ke)/(1 + Ke); Ke e1/e2; e1 (g1q1ρ1)1/2; e2 (g2q2ρ2)1/2. Соответствующие величины с индексами 2 относятся к дефекту; t температура объекта до воздействия излучением лазера.
Если тепловое излучение ИК-диапазона от нагретой области, преобразуемой оптической системой, регистрируется фотоприемником, выполненным в виде двухспектральной "сэндвич"-структуры, элементы которой чувствительны в спектральных диапазонах Δλ1 и Δλ2, то выражения для фотосигналов на выходе элементов запишутся в виде:
I1= S1(λ)ελWλdλ (2)
I2= S2(λ)τ1(λ)ελWλdλ где Ао апертура оптической системы; γ угловой размер чувствительного элемента; Δλi λis λic спектральный диапазон чувствительности i-го элемента по уровню 0,1 от Simaх; Simax спектральная токовая чувствительность i-го элемента на длине волны, соответствующей максимуму чувствительности квантового фотоприемника; Si(λ) спектральная токовая чувствительность i-го элемента на длине волны λ в диапазоне Δλi; τ1(λ) спектральный коэффициент пропускания верхнего элемента в диапазоне Δλ нижнего элемента; Wλ спектральная плотность потока излучения АЧТ (формула Планка).
Особенность двухспектральных фотоприемников типа сэндвич заключается в том, что поток излучения от локально нагретой области объекта при прохождении через элементы сепарируется ими синхронно по спектральным диапазонам, они имеют идентичные пространственно-частотные характеристики и не требуется дополнительных оптических элементов для расщепления излучения, как это имеет место в двухспектральных фотоприемниках, элементы которых расположены в одной плоскости.
Скорости изменения сигналов, обусловленные изменением температуры (dT/dτ) на поверхности объекта, получают, дифференцируя соотношения (2)
S1(λ)dλ (3)
S2(λ)ελτ1(λ)
Воспользуемся известной особенностью классической формулы Планка, которая заключается в том, что в области коротких длин волн, при условии λT ≅ 3 ˙ 103 мкм град, с точностью не выше 1% она может быть заменена уравнением Вина Wλ1T) C1 λ-5 exp(-C2/λT), где С1 3,7415.104 Вт ˙ мкм4/см2, С2 1,4388 ˙ 104 мкм, К константы. В области длинных волн при условии (λТ/C2) >> 1 формулу Планка можно заменить уравнением Рэлея-Джинса Wλ1T) (C1/C2) λ4T. Оценки показывают, что для Δ λ1 2-5 мкм, точнее для крайней длины волны λ= 5 км, закон Вина справедлив при Т ≅ 600 К, а для Δ λ2 8-14 мкм, вернее для нижней длины волны λ= 8 мкм, закон Рэлея-Джинса справедлив при T ≥ 500 К. То есть существует диапазон температур объектов 500 К ≅ Т ≅ 600 К, а для практических целей этот диапазон можно расширить до 400 К ≅ T ≅ 600 К, в котором выражения (2) и (3) существенно упрощаются и Ii, как и (dIi/dτ), выражаются аналитически
I1= MλC + 3 + 6 + 6xexp-
+ 3 + 6 + 6xexp- MλC1ε1Ω
I2= NλC1ε2x
Mλ= S1 max K1(λ)dλ (4)
Nλ= S2 max K2(λ)τ1(λ)dλ
x
В соотношениях (4) M и N эффективные величины, в которые входят известные аппаратные функции оптической системы и фотоприемника, а Кi(λ) относительные спектральные характеристики элементов. Кроме того ε1 и ε2 представляют эффективные излучательные способности поверхности объекта в соответствующих спектральных диапазонах ε1= dλ и ε2= dλ.
Аналогично упрощаются соотношения (3)
MλC1ε1 +4 +12 +24 + 24x
× exp- - +4 +12 +24 +24xexp- =
MλC1ε1 (5)
NλC
В соотношении (4) для I1 можно пренебречь последним членом в квадратных скобках, так же как и последним членом в соотношении (5) для (dI1/dτ), что составит не более 1,5% относительной ошибки. Введение эффективных величин ε1 и ε2, также как учет коэффициента излучательной способности с погрешностью ± 1% невозможен даже при метрологических работах. И обычно 10%-ная точность определения коэффициента излучательной способности, например, в оптической пирометрии, считается удовлетворительной.
В соотношения (4) и (5) вводят четыре неизвестные величины ε1, ε2, Т и (dT/dτ ). Две из них, ε1 и ε2, исключают, беря отношения
η (6)
μ (7)
Из выражений (6) и (7) видно, что отношение
η / μ f (x, λi) (8) зависит только от одной неизвестной величины Т (у 0, τ), которая может быть найдена с использованием ЭВМ, одним из известных методом решения нелинейных трансцендентных уравнений по экспери- ментальным значениям ( ΔI1/Δ τ), (ΔI2/Δ τ) и I1(τ), I2(τ ), измеренным в момент времени τ, равный Δ τ/2.
Оценки показали, что, например, для медной пленки толщиной а 3 мкм на текстолитовой подложке, если измерения проводятся при τ ≈ 10-7с, то в (1) можно, с погрешностью не выше примерно 2% ограничиться первым членом разложения n 1,
T ≈ t + 1-2h exp- (9)
Аналогично для производной
1-2h1- exp- (10)
В рассмотренном примере (наибольшее расхождение по е1 и е2) параметр h ≈ 0,955, то есть для широкого класса объектов можно положить h 1, либо достаточно провести грубую оценку, параметра h, если имеются какие-нибудь косвенные данные об исследуемом объекте.
Из отношения
(11) подставляя в него найденное по соотношению (8) значение Т, определяют величину (dT/d τ) и, таким образом, имеют два уравнения (9) и (10), из которых находят два искомых параметра d и a1, например, при известном g1.
Способ осуществляют следующим образом.
Полученные фотосигналы по указанным спектральным диапазонам поступают в дифференциаторы 6 (фиг.1) и через АЦП 7 в БНО 8 и одновременно обрабатываются в ЭВМ 9. На дисплее ВКУ 10 получают изображение распределения дефектов по глубине залегания d либо распределение параметра а1 по поверхности объекта.
Таким образом, используя предлагаемый способ, можно проводить анализ, например, твердых растворов переменного состава, включающих разнородные металлы либо включения второй фазы.
Предлагаемый способ имеет следующие преимущества. Регистрация фотосигналов и их производных в нескольких спектральных диапазонах увеличивает степень свободы способа, т.е. увеличивает тем самым информативность, позволяя производить желаемую корреляционную обработку измеренных величин, которые к тому же принимаются синхронно и независимо по двум каналам из одной и той же локальной области объекта, что существенно упрощает его осуществление, так как устраняется сканирование по чувствительным элементам, необходимое при приеме теплового излучения, чувствительные элементы которых расположены в одной плоскости, а также устраняет необходимую в таких системах синхронизирующую электродную обработку сигналов. Кроме того, устраняется влияние излучательной способности поверхности реальных объектов на результаты измерений, а также повышается инструментальная точность за счет исключения аппаратных функций спектральных каналов.
Формула изобретения: СПОСОБ ИК-ДЕФЕКТОСКОПИИ, заключающийся в подаче на объект теплового импульса от источника тепловых импульсов, регистрации фотоприемником скорости изменения фотосигнала и определении параметров дефектов, отличающийся тем, что регистрируют синхронно и независимо фотосигналы I1 и I2 и скорости их изменения dI1/dτ и dI2/dτ в двух спектральных диапазонах 2 5 и 8 14 мкм от одной и той же зоны объекта, имеющего температуру 400 600 К, а теплофизические параметры и глубину залегания дефектов определяют путем деления отношения (dI1/dτ)/I1 одного спектрального диапазона на (dI2/dτ)/I2 другого спектрального диапазона, при этом для регистрации используют двухспектральный фотоприемник типа "сэндвич" с чувствительными элементами, имеющими идентичные пространственно-частотные характеристики.