CC BY
59
М/лггттгг г: кгтшуггт:
/ 4 (77), 2014-
Г:
УДК 681 .7.068: 681. 581 . 3 Поступила 21.05.2014
Е. И. МАРУКОВИЧ, Е. М. ПАТУК, ИТМНАН БЕЛАРУСИ, А. П. МАРКОВ, С. С. СЕРГЕЕВ, А. Г. СТАРОВОЙТОВ, Белорусско-Российский университет, О. Ю. БОНДАРЕВ, ПА «МЕГА»
СПЕКТРАЛЬНО-ФОТОМЕТРИЧЕСКАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ОТЛИВОК И ПРОКАТА
Рассматриваются способы и структуры визуально-оптической дефектоскопии поверхностей изделий литейного производства и металлургии.
Ways and structures of visual and optical detectoscopy of surfaces of articles of foundry production and metallurgy are considered.
Введение. Обеспечение контролеспособности технологий и производств особо значимо для совершенствующихся и развивающихся процессов и операций . При этом опережающими являются способы и средства оперативного технологического контроля, гарантирующего выход качественной продукции с нормируемыми материально-энергетическими и технико-экономическими показателями . В современном производстве конкурентоспособной продукции технологический контроль становится определяющей стадией на всех этапах операционных воздействий и взаимодействий в единой системе обеспечения качества и снижения затрат. Характерное для производства пространственно-временное распределение геометрических параметров поверхностей соответственно отражается в сопровождающем каждую операцию информационном процессе . И если физико-технические свойства и параметры поверхности на первичном уровне присущи геометрическому телу, то на информационном уровне они абстрагируются и проявляются уже в формализованном виде . Такая информационно-технологическая взаимосвязь количественных и качественных характеристик геометрических параметров поверхностей и их абстрактных отображений позволяет моделировать и вести мониторинг смоделированного информационно-преобразовательного процесса по совокупности формализованных и взаимосогласованных операций
Пространственно-временная изменчивость поверхностей проявляется в совокупности признаков . С их проявлением и выявлением формируется и первичная технологическая информация . Как тех-
нологические признаки изменчивости, так и характер технологической информации различаются физической природой первичного отображения, его физическими величинами и информативными параметрами И для достоверной оценки реальной изменчивости необходимо пространственно-временное выявление расположения и особенностей формирующихся информативных источников непосредственно в производственных условиях
Формирование и поиск информативных источников. Дефектоскопия изменчивой поверхности связана с обнаружением и анализом многообразного признакового пространства Посредством обратных связей локализируется признак и идентифицируется соответствующее ему поверхностное нарушение сплошности При этом если технологический признак изменчивости связан с дефек-тоскопируемой поверхностью, то для идентификации необходимо трансформировать информативное излучение для анализа
Информативность признаков изменчивой поверхности определяется эффектами взаимодействия воздействующих излучений с приповерхностным слоем И проявляемость технологической изменчивости, как информационно-физическое свойство материальной поверхности, характеризует ее способность к спектрально-энергетическому взаимодействию с излучателем Структура спектрально-энергетической трансформации учитывает как полезную информацию, так и дестабилизирующее воздействие помех
Схемотехника преобразований и трансформации излучений. Использование оптических све-топроводящих моноволокон вносит некоторое раз-
нообразие в преобразовательный процесс . В общем случае схемотехника информационно-энергетических преобразований строится на многообразии функциональных элементов восприятия, формирования, трансформации излучений и отображения информации у получателя . В простейшем случае структура преобразований представляет собой систему оптических светопроводящих моноволокон, сформированных в соответствии с алгоритмом взаимосвязей излучателя, объекта, приемника излучений и потребителя В таком взаимодействии спектрально-энергетическое излучение источника трансформируется через объект к виду, удобному для получения потребителем . Специфика световодных преобразований в основном определяется схемами группирования элементарных моноволокон в жгуты для транслятора, преобразователя, коллектора, кодера, устройства отображения оптических изображений и др
В простейших схемах прямых преобразований излучение источника с энергетической яркостью Ьэ переносится для непосредственного воздействия на объект и выходной торец световода выполняет функцию вторичного излучателя . Отображение объекта воспринимается входным торцом информационного световода, трансформирующего информативное излучение через приемник для оптического изображения Ьи результата у потребителя (см . рисунок) .
Информационно-энергетическая цепочка параметров световодной системы прямого преобразования представляется характерными спектрально-энергетическими параметрами каждой операции, отражающими ее специфические особенности Для них характерна зависимость «вход-выход» .
Общая выходная мощность Рвых всей цепи преобразований определяется выражением:
^вых =Рп xw\lo5xcъ2k, где ри - м°щн°сть излучения, вводимая в световод под углом ф; Тс^"^!^ -коэффициент светопропускания световода-излучателя, информационного световода и объекта; к -коэффициент чувствительности фотоприемника
Полная мощность, излучаемая источником в телесном угле 2п, равна
Ри = тгс, где Ьэ - энергетическая яркость источника; тс - радиус световода
гуаьс- Г: кгткштгта / ОС
-а (77), 201а/ Ли
Эффективная площадь входных и выходных торцов световодов = пт^п , где тм - радиус сердцевин моноволокон, п - число моноволокон, определяется качеством обработки (микронеровности), наличием сколов, неплотностью формирования торцов моноволокон в световоде, коэффициентами преломления среды на входе и выходе и другими факторами Эти факторы существенно влияют на информационные и энергетические характеристики оптического канала
При прямом преобразовании на энергетические характеристики (информационные, метрологические) канала оказывают большое влияние потери информации на собственные преобразования в каждом последовательном функциональном элементе С учетом природы этих потерь и схемы канала восстановить потерянную в цепи преобразований информацию не представляется возможным
Однако на основе метрологических методов и структур схемной комбинаторики строятся све-товодные преобразователи с улучшенными информационными, энергетическими и точностными показателями [2] .
При синтезе световодной системы преобразования и передачи оптической информации исходят из предпосылки, что каждой точке объекта с характерными пространственно-временными координатами соответствует отображаемая точка изображения также с определенными пространственными и временными координатами
Для оптических систем отличительное значение имеют физические величины, более удобные для моделирования и описания В преобразовательных процессах информативные сигналы отображаются чаще всего в виде энергии или плотности энергии излучения . Более существенными являются следующие первичные характеристики информационного процесса:
• увеличение, определяемое по изменению масштаба координат при передаче или преобразовании вида объекта в изображение;
• передаточная характеристика, определяемая по изменению выбранной характерной величины в процессе передачи или преобразования вида объекта в изображение;
• функция размытия, определяемая по степени вклада влияния сигнала от некоторой точки объек-
п
источник излучения
ТсЗ
световод- объект излучатель
излучения
Схема световодного канала прямого преобразования
световод информационный
приемник
и
потребитель
И/г, гтг: г; г: ^(цйшсггх.
I а (77), 201а-
та на сигнал в других точках изображения, соответствующих другим точкам объекта;
• шум, определяемый по величине случайных флуктуаций, налагаемых на сигнал .
В принципе эти флуктуации имеются в каждой из трех указанных выше характеристик . На практике достаточно учитывать влияние флуктуаций на значение сигнала и связанную с ним величину, выбранную для анализа передаточной характеристики
При этом в световодной системе передачи и преобразования оптической информации общего вида не обязательно полное соответствие пространственных и временных координат точки объекта пространственным и временным координатам связанной с ней точки отображения . Иногда одномерная выборка точек в двумерной области плоскости объекта преобразуется в изображение, имеющее вид одномерного электрического сигнала, например, при стробировании
С точки зрения теории информации любую све-товодную систему передачи и преобразования сигнала от первичного отображения в информативное излучение объекта можно представить как оптический канал связи Поток информации об объекте поступает на вход такого канала, частично теряется в нем и приходит в плоскость оптического изображения у потребителя . В случае идеальной све-товодной системы ее информационная способность бесконечно велика как за счет бесконечного числа независимых элементов, которые можно выделить в любом ограниченном по пространству изображении, так и за счет того, что каждый элемент сигнала может принимать бесконечное число различных значений физической величины, выбранной для характеристики сигнала В реальной световодной системе функция размытия ограничивает число независимых элементов, которые можно выделить в пространственно ограниченном отображении, а шум ограничивает число уровней значений, которые можно надежно различить в оптическом сигнале
Анализ особенностей передачи информации в оптическом тракте и расчет параметров свето-водной системы проводятся с учетом наличия активных полихроматических элементов Активные элементы могут преобразовывать световой полихроматический сигнал в электрический и наоборот При этом они могут преобразовывать свет одного спектрального состава в свет с другим спектральным составом . Тогда энергия входного сигнала при одной длине волны влияет на энергию выходного сигнала уже при другой длине волны
Схемотехника световодных преобразований строится из предположений, что вся оптическая
информация о первичном отображении генерируется диффузно-рассеянным излучением контролируемого участка объекта . Оптический сигнал ДФ,, отражаемый каждым элементарным источником информации М, падает в поле зрения оптической системы
В способах и средствах визуально-оптической дефектоскопии на основе световодных и телевизионных каналов передачи оптических излучений и изображений потенциальных дефектов наблюдаемой поверхности предполагают ориентированное освещение и последующее восприятие контрастных изображений отдельных участков, зон или объемов непосредственно оператором
В них для формирования и приближения изображения осматриваемого участка непосредственно наблюдателю (через окуляр) требуется мощный источник питания (в большинстве от промышленной сети) и высокоразрешающий волоконно-оптический канал передачи изображения [1] .
В реальных условиях способы световодной визуализации изображений ограничены разрешающей способностью световодов, их потерями и субъективными возможностями наблюдателя При этом наблюдателю непрерывно поступают оптические изображения (в виду помех не всегда хорошего качества), которые он должен воспринимать, запоминать и сравнивать с некоторыми аналогами изображений дефектов по фотообразцам, картам или по памяти . В способах структурной оптимизации комплексные преобразования связаны непосредственно с рациональной обработкой . Больший эффект обеспечивают адаптивные способы пространственно-временной обработки [2]. Однако параметры реальных структур, как и контролируемых поверхностей, существенно различаются в пространственно-временном и спектральном распределении Такие различия ограничивают чувствительность и достоверность способов дефектоскопии, так как преобразования первичных изображений и их обработка наблюдателем производятся в различных пространственно-временных координатах
Ограниченные восприимчивость и чувствительность, а также энергозависимость снижают технико-экономическую эффективность, достоверность и производительность такого способа дефектоскопии С учетом большого многообразия видов дефектов и их типоразмеров управление поиском и выявление источников информации по интенсивности отраженного дефектным участком излучения требует продолжительного рассмотрения изображения с регулированием резкости непрерывно освещенного участка поверхности и его восприятия через объектив, что также снижает достовер-
ность и производительность способа визуально-оптической дефектоскопии [2] . Ступенчатое регулирование освещенности в визуально-оптической дефектоскопии не решает задачи улучшения восприимчивости оптических изображений контрастных мест [1] .
В предложенном способе спектрально-фотометрической дефектоскопии поверхности объекта формирование и локализация изображения осматриваемого участка дефектируемой поверхности осуществляются одновременно со взаимодействием этой поверхности и поверхности образцовой . Для освещения используются излучения управляемых монохроматических источников с последующим фотометрированием в реальных пространственно-временных координатах . При этом свето-водный коллектор-смеситель формирует одновременно воздействующее на образцовую поверхность и участок поверхности изделия регулируемое излучение . Формируемое монохроматическими из-
/;ггг:с г г^штггп /97
-а (77), 201а / ъш
лучателями и направляемое по жгутам оптических моноволокон на коллектор-смеситель излучение разделяется жгутами светопроводящих волокон на два лучистых коллимированных потока . Они одновременно воздействуют на поверхность контрастную и поверхность образцовую, а отраженные от них оптические изображения оптической призмой одновременно направляются на фотоприемник образцовый и фотоприемник контрастный . Их электрические выходные сигналы обрабатываются в компараторе, а результаты представляются на устройстве отображения
Спектрально-фотометрическая дефектоскопия по способу сравнения обеспечивает повышение чувствительности и выявляемости дефектных мест В такой структуре повышаются достоверность и производительность при улучшении технико-экономической эффективности дефектоскопии, осуществляемой в реальных пространственно-временных координатах
Литература
1. Б ы ч к о в, О .Д. Контроль внутренних поверхностей / О . Д . Бычков . - М. : Энергия, 1975 .
2 . Визуально-оптическая дефектоскопия и размерный контроль в литейном производстве / Е . И . Марукович и др . ; под общ. ред . Е . И . Маруковича . Минск: Белорусская наука, 2007. С . 52-54, 60-72, 82-86, 92-97.
3 . Заявка №а20111427 Республика Беларусь: МПК G 01N 21/88 . Способ спектрально-фотометрической дефектоскопии поверхности объекта и устройство для его осуществления / Е . И. Марукович, А . П. Марков, О . Ю . Бондарев, Е . М. Патук, А . Г. Старовойтов; заявитель - ГНУ «ИТМ НАН Беларуси»; заявл 27. 10.2011, опубл . 30 .06 .2013 // Офиц. бюл . «Изобретения. Полезные модели. Промышленные образцы» . 2013 . № 3 . С . 32 .
