CC BY
46
ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ НЕРАЗРУШАЮЩИЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ УСТАЛОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ
Татьяна Вячеславовна Ларина
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия»; 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доцент кафедры технологии оптического производства, телефон +7(383)344-40-58, факс +7(383)344-40-58, е-mail: n_rah@ngs.ru, е-mail: larina_t_v@mail.ru
Бахтиержон Неьматович Рахимов
Ташкентский университет информационных технологий, Узбекистан, 700084, Ташкент, ул. Амир Тимура, 108, аспирант кафедры устройств и систем радиосвязи, тел. (+9989) 7-461-88-13; е-mail: brah@mail.ru
Сезгир Хабибуллаевич Шамирзаев
Физико-технический институт НПО «Физика-Солнце» АН РУз, Узбекистан, 100084, Ташкент, ул. Мавлянова, 2 б, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией полупроводниковых приборов, ФТИ АН РУз; тел. (+99871) 1354032; е-mail: shamir@uzsci.net
В статье рассмотрен оптоэлектронный неразрушающий метод контроля усталости металлических конструкций. Также предлагается оптоэлектронная система, которая состоит из датчика и электронного блока. Представляется один из вариантов выполнения датчика, изготовленный в виде полутрубчатой основы или полого полуцилиндра, в которую установлены три пары Y-образных и три обычных подводящих и шесть отводящих оптоволокон.
Ключевые слова: источники и приемники оптического излучения, оптоволокно, оптоэлектронная система, зернистость, шероховатость поверхности, дефектность, цветность.
OPTOELECTRONIC NONDESTRUCTIVE TECHNIQUE FOR METAL STRUCTURES FATIGUE CONTROL
Tatyana V. Larina
Assoc.Prof., department of optical production technology, Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo st., 630108, Novosibirsk, phone: +7(383)344-40-58, fax: +7(383) 344-40-58, e-mail: larina_t_v@mail.ru
Bakhtierzhon N. Rakhimov
A post-graduate student , department of radio equipment and systems, University of Information Technologies, 108 Amir Timur, 700084 Tashkent, Uzbekistan , phone: (+9989) 7 461-88-13; email: brah@mail.ru
Sezgir Kh. Shamirzayev
Ph.D., head of the laboratory, Applied-physics institute «Physics of the Sun», Uzbekistan academy of sciences, 26 Mavlyanova st., 100084, Tashkent, Uzbekistan, phone: (+99871) 135-40-32; e-mail: shamir@uzsci.net
Optoelectronic nondestructive technique for metal structures fatigue control is considered. The optoelectronic system, comprising a detector and an electronic part, is offered. One of the detector versions is presented as a semitubular base or a hollow semicylinder with three pairs of V-form-, three ordinary inlet- and six outlet optical fibres placed in it.
Key words: optical emission sources and detectors, optical fibre, optoelectronic system, granularity, surface, roughness, imperfection , chromaticity.
Контроль усталости металлических поверхностей - это одна из самых трудоемких технологических операций в машиностроении, самолетостроении и т. п., ибо ни одна деталь не может быть изготовлена без измерения ее технических характеристик. В связи с усложнением и требованием неуклонного повышения надежности новой техники трудоемкости контрольных операций в промышленности резко увеличиваются. Например, в развитых странах затраты на мониторинг металлических поверхностей составляют в среднем 1,5...3,5% от стоимости выпускаемой продукция, а в отдельных т.н. наукоемких отраслях - до 20% [1].
Нами предлагается оптоэлектронный неразрушающий метод контроля усталости металлических конструкций, который представляется перспективным в отношении простоты, удобства, технологичности и быстроты.
К настоящему времени разработан ряд оптоэлектронных приборов для неразрушающего контроля различных веществ и материалов [2-3].
В данной работе предлагается оптоэлектронная система для контроля усталости металлических конструкций (рис. 1).
\ 55 I Т I
Рис. 1. Структурная схема оптоэлектронной системы для контроля усталости
металлических конструкций
Оптоэлектронная система скомплектована следующим образом, она включает в себя разветвленную структуру, содержащую шесть самостоятельных схожих ветвей (цепочек). Каждая цепочка отвечает за контроль своего параметра металлической конструкции, например, первая, вторая и третья - за контроль цветности, четвертая - за шероховатость поверхности, пятая - за зернистость и шестая - за дефектность.
Датчик выполнен в виде полутрубчатой основы или полого полуцилиндра 1, в которую установлены три пары У - образных 2 - 4 и три обычных 5 - 7 подводящих оптоволокон, шесть отводящих 8 - 13 оптоволокон, а три опорных оптоволокна 56 - 58 входят в состав электронного блока (рис. 2).
Рис. 2. Вариант выполнения датчика
Электронный блок включает в себя задающий генератор 15, коммутатор 16, шесть триггеров 17 - 22, шесть выходов которых соединены с шестью измерительными светоизлучающими диодами (СИД) 23, 25, 27, 29, 31, 33 вторые шесть выходов - с компенсационными СИД 24, 26, 28, 30, 32, 34. Все измерительные СИД соединены подводящими оптоволокнами 2 - 7 с контролируемым объектом (КО) 14, а компенсационные СИД соединены иначе. Например, СИД 24, 26 и 28 соединены через КО с соответствующими приемниками оптического излучения (ПОИ), а компенсационные СИД 30, 32 и 34 соединены с соответствующими ПОИ 38, 39 и 40 оптическими опорными волокнами 56, 57 и 58 минуя КО 14. Выходы каждого из шести ПОИ 35 - 40 подсоединены к входу соответствующего блока сравнения 41 - 46, выход каждого из которых соединен с соответствующим измерительным прибором (ИП) 47 - 52. Затем электронный блок включает в себя блок обработки оптического сигнала (БОФС) 53, ЗУ 54 и измерительную систему, например, ЭВМ - 55.
Устройство работает следующим образом. ЗГ 15 вырабатывает прямоугольные импульсы, которые подаются на вход коммутатора 16. Разделенные импульсы далее подаются на вход шести идентичных триггеров 17-22, шесть выходов которых соединены с шестью измерительными СИД 23, 25, 27, 29,31, 33, вторые три выхода - с компенсационными СИД 24, 26, 28, 30, 32, 34, импульсы от триггеров поступают на соответствующие светодиоды.
КО (поверхность) 14 заключен в полусферу 1, по подводящим У -образным 2 - 4 и трем традиционным 5 - 7 оптическим волокнами облучается двумя световыми потоками (измерительным и компенсационным).
Оптоволокна заключены в кольцевой кожух из мягкой резины для необходимой ориентации датчика и светоизоляции оптического канала и расположены они под углом, например 30°, относительно друг друга и симметрично относительно нормали к контролируемой поверхности в точке отражения.
При контроле цветности оптическое излучение отражается от контролируемой поверхности 14 и отводящими оптическими волокнами 8 - 10 подается на приемники оптического излучения 35 - 37, которые преобразуют оптические сигналы в электрические. Данные приемники оптического излучения, работают на длинах волн Х1 = 680 нм Х2 = 560 нм Х3 = 450 нм.
Далее сигналы попадают на соответствующие блоки сравнения 41 - 43, где берется отношение двух сигналов (измерительного и компенсационного) и затем измерительной системой 47 - 49 определяются оттенки трех цветов. Процесс измерения цветности на данном этапе можно закончить.
Следующие параметры контроля, такие как шероховатость, баллы зернистости и наличие дефектов (трещин, рыхлости) измеряются иначе.
Например, сигнал в виде светового потока Ф04 от измерительного СИД 29 через подводящее оптоволокно 5 попадает на КО 14, и отражаясь от нее поступает за счет отводящего оптоволокна 11 на ПОИ 38. Он отвечает за шероховатость и работает на длинах волн Х4 = 860 нм (39 - отвечает за зернистость и работает на длинах волн Х5 = 1350 нм, 40 - отвечает за дефектность и работает на длинах волн Х6 = 2800 нм).
На этот же ПОИ 38 подается второй сигнал от опорного канала 30 (компенсационного СИД) через оптоволокно 56, минуя КО 14, и затем оба сигнала сравниваются между собой в блоке сравнения 44. Контроль двух других параметров выполняется аналогичным образом.
Затем шесть сигналов могут поступать на БОФС 53, где сопоставляются с любым из ряда образцовых, хранящихся в запоминающем устройстве 54. Далее шесть сигналов или их отношение подаются на измерительную систему или в ЭВМ 55. При необходимости сигнал с выхода БОФС можно подать в систему автоматического контроля.
Физический механизм системы поясняется следующим образом. Например, для определения шероховатости через СИД 29 подается
измерительный сигнал в виде светового потока Ф04, а отраженный сигнал Ф4 при этом равен:
Ф4 = Ф04 ■ е-к, (5)
где е - основание натурального логарифма;
к - коэффициент поглощения и рассеивания, зависящий от шероховатости.
Второй компенсационный поток Ф05 от СИД 30 попадает через опорное оптоволокно 56 на ПОИ 38, при этом сигнал Ф05 будет иметь вид:
Ф5 = Ф05. (6)
Если начальные потоки идентичны, т.е. Ф04 ~ Ф05, то отношение сигналов имеет вид:
Ф5 _ Ф05 Л
Ф4 Ф04
ек. (7)
Сигнал будет прямо пропорционален: ек. (8)
Ф5 _ Л
Ф 4
Основной измеряемой оптической характеристикой при данном методе выступает интенсивность отраженного светового потока от поверхности КО, которая сравнивается с величиной аналогичной характеристики эталона.
На основе данного метода разработана оптоэлектронная система для контроля усталости металлических конструкций. Прибор имеет высокие технические характеристики, что делает возможным его применение в исследовательских целях: напряжение питания, В - 220; частота, Гц - 50; потребляемая мощность, Вт, не более 5; длина волны источников излучений, X в нм - 2 800, 1 350, 860, 680, 560, 450; предел измерения цвета (ЦНТ) - 0,010Б; чувствительность (ЦНТ) - 0,01; шероховатость, Ra мкм - 80..0,63; зернистость, номер зерна (баллы) - от минус 3 до 14; дефектность (усадочная рыхлость, газовые пузыри, пустоты и трещины) - да или нет; габариты прибора, мм - 400 х 100 х 200; масса, кг, не более - 3,5 .
Предлагаемое устройство повышает точность измерения, чувствительность, а также упрощает конструкцию анализатора.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Клюев, В. В. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий / В.В. Клюев. - М.: Машиностроение, 1986. - 382 с.
2. Пат. № 2428728 Российская Федерация, МПК 51G01J 3/46. Анализатор цвета поверхности твердых материалов / Рахимов Б.Н., Ушаков О.К., Кутенкова Е.Ю., Ларина Т.В., заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия». - № 2009147534/28; заявл. 21.12.2009; опубл. 20.09.2011. Бюл. № 26. - 7 с.: 3 ил.
3. Ларина, Т. В. Исследование оптронов открытого канала для контроля качественных параметров металлических поверхностей // ГЕ0-Сибирь-2011: сб. материалов VII Междунар. науч. конгр. «ГЕ0-Сибирь-2011», 19 - 29 апреля 2011 г., Новосибирск. -Новосибирск: СГГА, 2011. - Т. 5, ч. 1. - С. 120 - 125.
© Б.Н. Рахимов, Т.В. Ларина, С. Х. Шамирзаев, 2012
