CC BY
39
УДК 681.723.26:681.786.5
ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ ГЛУБИНЫ ПОВЕРХНОСТНЫХ ДЕФЕКТОВ МЕТОДАМИ НИЗКОКОГЕРЕНТНОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ
Евгений Владимирович Сысоев
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, тел. (383)306-62-12, e-mail: evsml@mail.ru
Игнат Александрович Выхристюк
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, зав. лабораторией, тел. (383)306-62-12, e-mail: uic@ngs.ru
Родион Владимирович Куликов
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, младший научный сотрудник, тел. (383)306-62-12, e-mail: rstalcker@ngs.ru
Василий Владимирович Широков
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, аспирант, младший научный сотрудник, тел. (383)306-62-12, e-mail: stewie89@mail.ru
Предложен высокопроизводительной способ обнаружения дефектов на поверхности оболочки твэл с пороговым контролем глубины. Способ контроля основан на фотограмметрическом и интерференционном методах. Представлены результаты контроля рельефа поверхности оболочек твэл с дефектами известной глубины. Вероятность обнаружения дефектов глубиной более 40 мкм составила 95 %.
Ключевые слова: движущийся объект, низкокогерентная интерферометрия, дифференциальная интерферограмма, контроль.
HIGH-PERFORMANCE INSPECTION OF SURFACE DEFECTS DEPTH USING THE LOW COHERENCE INTERFEROMETRY METHODS
Evgeny V. Sysoev
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering SB RAS, 630058, Russia, Novosibirsk, 41 Russkaya St., Ph. D., leading researcher, tel. (383) 306-62-12, e-mail: evsml@mail.ru
Ignat A. Vykhristyuk
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering SB RAS, 630058, Russia, Novosibirsk, 41 Russkaya St., Head of Laboratory, tel. (383)306-62-12, e-mail: uic@ngs.ru
Rodion V. Kulikov
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering SB RAS, 630058, Russia, Novosibirsk, 41 Russkaya St., junior researcher, tel. (383)306-62-12, e-mail: rstalcker@ngs.ru
Vasily V. Shirokov
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering SB RAS, 630058, Russia, Novosibirsk, 41 Russkaya St., junior researcher, tel. (383)306-62-12, e-mail: stewie89@mail.ru
The high-performance method for defects detection on the surface of a fuel element cover with a threshold depth inspection is proposed. The method of defects inspection is based on photo-grammetric and interference techniques. The inspection results of fuel element cover surface relief with known depth defects are presented. The probability of defects detection with a depth of more than 40 p,m was about 95 %.
Key words: moving object, low coherence interferometry, differential interferogram, surface relief, inspection.
Автоматизированный бесконтактный контроль качества поверхности является актуальной задачей при производстве ответственных изделий. К таким изделиям относятся тепловыделяющие элементы (твэлы), из которых собираются тепловыделяющие сборки (ТВС) для реакторов атомных электростанций. Твэл представляет собой цилиндрическую трубку из сплава циркония диаметром 9 мм и длиной 4 м, внутри которой размещается топливный сердечник (урансо-держащие таблетки).
Целостность оболочки твэл играет важнейшую роль в безопасности атомных реакторов, поэтому к качеству оболочки предъявляют жесткие требования. Глубина дефектов поверхности оболочки твэл не должна превышать 40 микрометров (мкм).
В производственных линиях, в настоящее время, контроль дефектов поверхности оболочек твэл осуществляется применением токовихревого метода (ТВК) [1]. Этот метод обеспечивает высокую производительность контроля и обладает устойчивостью к воздействию внешних факторов (влажность, давление и т. д.). Недостатком систем контроля основанных на применении вихре-тока является ограниченный ресурс работы. Связано это с наличием высокоскоростного узла вращения. Кроме того, контроль некоторых типов дефектов (например, протяженная вмятина) осуществляется с большой погрешностью, что приводит как к перебраковке, так и пропуску дефектных изделий. Так же, для окончательной разбраковки твэл, дополнительно используется автоматизированная система бесконтактного прецизионного измерения глубины дефектов поверхности оболочки твэл, основанная на методе низкокогерентной интерферометрии [2-4]. Измерение глубины дефектов выполняется в полуавтоматическом режиме и не позволяет осуществлять контроль изделий автоматически и в темпе работы линии.
Целью данной работы является создание оптико-электронной системы контроля поверхностных дефектов основанной на применении методов фотограмметрии и низкокогерентной интерферометрии для обеспечении высокой производительности и надежности контроля.
Для решения этой задачи была создана экспериментальная установка для контроля внешнего вида оболочек твэл (далее СКВВ). Внешней вид СКВВ представлен на рис. 1.
СКВВ состоит из двух подсистем: СО - подсистемы обнаружения дефектов и определения их положения и СКГ - подсистемы контроля глубины дефектов.
Рис. 1. Экспериментальный образец СКВВ: 1 - система осмотра (СО), 2 - система контроля глубины (СКГ), 3 - контрольный образец
Принцип работы СО основан на фотограмметрическом анализе [5] контролируемой поверхности. Принцип обнаружения дефектов описан в работе [6] и основан на том, что дефект поверхности, находящийся в зоне контроля, вносит неоднородность в индикатрису света, рассеянного контролируемой поверхностью. Поверхность оболочки ТВЭЛ имеет высокий класс чистоты, поэтому при равномерном освещении поверхности наличие даже небольшого дефекта приводит к нарушению однородности регистрируемого изображения. В работе [6] показано, что по рассеянию света можно обнаруживать дефекты с поперечным размером менее 10 мкм.
Принцип работы СКГ основан на использовании явления интерференции частично когерентного света (метод дифференциальных интерферограмм (ДИ) [3, 7]). Для частично когерентного света условие интерференции выполняется для волн, рассеянных измеряемой поверхностью из слоя, толщина которого по высоте равна длине когерентности света. Середина слоя когерентности определяет плоскость нулевой разности фазы интерферирующих волн для точек поверхности опорного зеркала интерферометра и сопряженных точек пространства предмета в измерительном плече. Формируя слой когерентности в заданном участке поверхности можно осуществлять пороговый контроль по глубине. Однако воздействие внешних факторов (вибрации, движение объекта) затрудняет процесс получения дифференциальной интерферограммы [8]. В связи с этим в СКГ применяется дифференциальный интерферометр [9] с двумя каналами синхронной регистрации [10, 11].
В процессе работы СКВВ подача твэл осуществляется внешней транспортной системой. В СО блоками осмотра осуществляется непрерывный автоматический полный осмотр внешней поверхности оболочки твэл. В ходе осмотра происходит определение места дефекта, фиксируются координаты дефекта при помощи датчика контроля перемещений твэл и происходит классификация дефекта (риска, накол, задир и т. д.). Координаты дефектов поступают в СКГ,
расположенную следом за СО по направлению движения твэл. Далее СКГ переходит в режим ожидания переданных координат. В момент, когда дефект попадает в поле зрения СКГ происходит одновременная съемка двух противофазных интерферограмм.
Программное обеспечение вычисляет ДИ по двум противофазным интер-ферограмм и осуществляет по ней пороговый контроль. Отсутствие или наличие интерференционного сигнала на поверхности оболочки твэл в заданной области свидетельствует о значении глубины дефекта. В результате этого можно сделать вывод, является ли дефект браком.
На экспериментальном образце СКВВ были проведены испытания. Скорость перемещения контрольного образца составляла 110 мм/с, контрольный образец имел длину 2 м и диаметр 9 мм. Глубина дефектов на поверхности оболочки твэл была предварительно измерена на интерференционном микроскопе МНП-1 [12, 13]. Процесс повторения контроля осуществлялся порядка 20 раз. Результаты контроля, представлены на рис. 2.
Рис. 2. Результат контроля поверхности оболочки контрольного образца
На рис. 2 представлен результат контроля рельефа поверхности оболочки твэл с двумя дефектами различной глубины. Набор изображений а-в, иллюстрируют результат контроля дефекта с глубиной 16 мкм, г-е соответствуют дефекту с глубиной 45 мкм. Изображения а, г - были получены в СО, которая обнаружила дефект. Изображения б, д - соответствует, зарегистрированным интерферограммам в СКГ. Изображения в, е - соответствуют дифференциальным интерферограмм. По дифференциальной интерферограмме определяется наличие пересечения поверхности твэл со слоем когерентности на глубине 40 мкм. Таким образом можно видеть что в случае изображения в - нет пересечения и глубина дефекта менее 40 мкм (не брак), а в случае изображение е - пересечение есть и глубина больше 40 мкм (брак).
Таким образом, предложен высокопроизводительный способ обнаружения дефектов на поверхности оболочки твэл с пороговым контролем глубины.
Экспериментально показано, что данный способ позволяет контролировать дефекты глубиной более 40 мкм с вероятностью не менее 95 %.
Результаты работы будут использованы при проектировании высокоточных, высокопроизводительных систем для бесконтактного контроля объектов промышленного производства.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Mook G., Michel F., Simonin J. Electromagnetic imaging using probe arrays. 17th World Conference on Nondestructive Testing, 25-28 Oct 2008, Shanghai, China.
2. Form measurement of small cylindrical objects using two-wavelength interferometry / A. Höink, K. Meiners-Hagen, O. Jusko, A. Abou-Zeid. // Proceedings of SPIE. V. 7133. P. 71333Q-1-71333Q-7
3. Измерения локальных отклонений профиля поверхности на основе интерференции частично когерентного света / Е. В. Сысоев, И. В. Голубев, Ю. В. Чугуй, В. А. Шахматов // Автометрия. - 2004. - 40, № 5. - С. 4-13.
4. Dresel Th., Häusler G., Venzke H. Three-dimensional sensing of rough surfaces by coherence radar // Applied. Optics. - 1992. - V. 31. - P. 919-925.
5. Исследование фотограмметрических изображений с помощью матриц вероятностного распределения яркости / А. Ю. Баврина, Н. Ю. Ильясова, А. В. Куприянов, А. Г. Храмов // Компьютерная оптика. - 2002. - № 23. - С 62-65.
6. Сысоев Е. В., Голубев И. В., Куликов Р. В. Оптический метод обнаружения механических дефектов на поверхностях высокого класса чистоты // Автометрия. - 2007. - Т. 43, № 5. - С. 111-116.
7. Сысоев Е. В., Голубев И. В. Способ измерения профиля поверхности. Патент РФ № 2245515, 2005.
8. Влияние случайного сдвига фазы интерферограмм на погрешность измерений рельефа поверхности интерференционным профилометром / Е. В. Сысоев, И. А. Выхристюк, Р. В. Куликов, В. В. Широков // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Сиб0птика-2013» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск : СГГА, 2013. Т. 1. - С. 28-31.
9. Modifications of the coherence radar for in vivo profilometry in dermatology / P. Andretzky, M. W. Lindner, G. Bohn, J. Neumann, M. Schmidt, G. Ammon, and G. Häusler // SPIE. - 1998. - V. 3567. - Р. 88-96.
10. Двухканальный интерферометр белого света для получения дифференциальных интер-ферограмм / Е. В. Сысоев, И. А. Выхристюк, Р. В. Куликов, В. В. Широков // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2015. XI Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Сиб0птика-2015» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 13-25 апреля 2015 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2015. Т. 2. - С. 34-38.
11. Двухканальный интерферометр для измерения рельефа движущихся поверхностей / Е. В. Сысоев, И. А. Выхристюк, Р. В. Куликов, В. В. Широков // Приборы. - 2016. - № 12. -С. 5-9.
12. Высокопроизводительный оптический интерференционный микропрофилометр / Е. В. Сысоев, И. А. Выхристюк, Р. В. Куликов, А. К. Поташников, В. В. Широков // Датчики и Системы. - 2015. - № 9-10. - С. 52-57.
13. Применение оптической интерферометрии в идентификационной трасологической экспертизе / Ю. В. Чугуй, Е. В. Сысоев, И. В. Латышов, А. В. Кондаков, В. А. Васильев // Эксперт криминалист. - 2016. - № 3. -С. 25-28.
© Е. В. Сысоев, И. А. Выхристюк, Р. В. Куликов, В. В. Широков, 2017
