viz_kontrol_zachita

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Н.П. Калиниченко, А.Н. Калиниченко

ВИЗУАЛЬНЫЙ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ

Учебное пособие для подготовки специалистов

I, II и III уровня

Рекомендовано в качестве учебного пособия Редакционно/издательским советом Томского политехнического университета

Издательство Томского политехнического университета

2009

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6

Глава 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОПТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7

1.1. Модели оптического излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 1.2. Основные законы геометрической оптики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 1.3. Энергетические и световые величины для описания ОИ . . . . . . . . . . .16 1.4. Основные понятия и определения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17 1.4.1. Интерференция света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17 1.4.2. Методы наблюдения интерференции света . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20 1.4.3. Применение интерференции света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21 1.4.4. Дифракция света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24 1.4.5. Поляризация света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26 1.5. Световая система единиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31 1.5.1. Световые величины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31 1.5.2. Фотометрические величины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32 1.6. Оптические и светотехнические характеристики объектов контроля .33 1.6.1. Светотехнические материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33 1.6.2. Взаимодействие света с веществом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37 1.6.3. Дисперсия света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38 1.6.4. Прохождение света через оптически неоднородную среду . . . . . .40 1.7. Функции и параметры зрения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48 1.7.1. Иллюзии зрительного восприятия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48 1.8. Теоретические основы технических измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52 1.8.1. Терминология по размерам . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52 1.8.2. Точность геометрических параметров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54

1.8.3. Методы исследования и оценки результирующих погрешностей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56

1.8.4. Основные единицы СИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61 1.8.5. Дополнительные единицы СИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62 1.8.6. Производные единицы СИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63 1.8.7. Кратные и дольные единицы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64

Глава 2. ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И СВЕТОВЫЕ ПРИБОРЫ И УСТАНОВКИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68

2.1. Источники света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68 2.2. Тепловые источники света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70 2.3. Другие источники света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71

3

2.4. Светофильтры и ослабители света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77 2.5. Требования к освещению . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80

Глава 3. ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ. ПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА. ОПТИЧЕСКИЕ ДЕФЕКТОСКОПЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81

3.1. Микроскопы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81 3.2. Приемные устройства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82 3.2.1. ПЗС%матрицы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .83 3.2.2. Основные элементы пленочной (аналоговой) фотографии . . . . .86 3.3. Оптические дефектоскопы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .92 3.3.1. Жесткие эндоскопы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .94 3.3.2. Гибкие эндоскопы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .95 3.3.3. Эндоскопические видеосистемы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .98

3.4. Методы измерения геометрических элементов изображения и дефектов в оптических видеосистемах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .99

3.4.1. Стереоскопический метод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .102 3.4.2. Теневой метод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .104 3.4.3. Метод сравнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .106 3.5. Измерительные микроскопы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .106 3.5.1. Универсальный измерительный микроскоп УИМ . . . . . . . . . . . .108 3.5.2. Измерительные микроскопы серии MC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .109 3.6. Телескопы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110 3.7. Голографические методы контроля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112 3.7.1. Голографическое оборудование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .113 3.7.2. Голографическая эндоскопия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .120

Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .122

Глава 4. ПРИБОРЫ И ИНСТРУМЕНТЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОНТРОЛЯ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .125

4.1.Приборы для измерения больших линейных размеров изделий или отклонений от формы

и расположения поверхностей изделия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .125 4.2. Современные средства и методы измерения неровностей.

Качественные методы контроля шероховатости поверхности . . . . . .133 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .144

Глава 5. МЕТРОЛОГИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ

СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .146 5.1. Световые измерения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .146 5.2. Измерение освещенности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .147

Глава 6. ВИДЫ И ТИПЫ ДЕФЕКТОВ. ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ДЕФЕКТОВ СВАРКИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153

6.1. Анализ разрушений в условиях эксплуатации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .160 6.2. Элементы механики разрушения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .164 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .168

4

Глава 7. АТТЕСТАЦИЯ СПЕЦИАЛИСТОВ III УРОВНЯ ПО ВИЗУАЛЬНОМУ И ИЗМЕРИТЕЛЬНОМУ

КОНТРОЛЮ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .172 7.1. Квалификационный экзамен специалиста

по неразрушающему контролю III уровня . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .172

7.2.Оценка квалификационных экзаменов кандидатов на III уровень . .174

7.3.Аттестация и переаттестация российских и зарубежных

Приложение 1. Вопросы на знание EN 473:2000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .199 Приложение 2. Методические рекомендации для подготовки

специалистов неразрушающего контроля III уровня в области материаловедения, технологии материалов

и дефектов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .205 Приложение 3. Сборник вопросов базового экзамена. Часть А . . . . . . . . . . .208 Приложение 4. Сборник вопросов базового экзамена. Часть Б . . . . . . . . . . .233 Приложение 5. Сборник вопросов общего экзамена

по основному методу неразрушающего контроля . . . . . . . . .254 Приложение 6. Требования по минимальному количеству вопросов

на экзаменах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .267 Приложение 7. Структурная схема балльной оценки деятельност

и специалиста III уровня квалификации

при продлении срока действия удостоверения . . . . . . . . . . . .269 Приложение 8. Международные и европейские стандарты

в визуальном контроле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .272 Приложение 9. Европейский стандарт ЕN 970 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .279 Приложение 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .288 Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .298

5

ВВЕДЕНИЕ

Специалисты, работающие на опасных производственных объек% тах, осуществляющие неразрушающий контроль (НК) должны быть ат% тестованы в соответствии с «Правилами аттестации специалистов не% разрушающего контроля» (ПБ 03%440%02).

Важнейшие национальные и международные нормы по аттеста% ции персонала в области НК определяют квалификацию специалистов по пяти признакам: профессиональное обучение, практический опыт работы в области НК, физическая пригодность, прохождение курса обучения и сдача квалифицированного экзамена.

Приведенные теоретические материалы для подготовки и струк% турная схема квалификационного экзамена специалиста III уровня на% правлены на достижение определенного уровня знаний как для буду% щих, так и для специалистов I, II и III уровня квалификации по визуаль% ному и измерительному методу контроля в достаточно сжатые сроки.

Контрольные вопросы, соответствующие уровню III, приведены в приложении с целью определения степени освоения материала.

6

Глава 1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОПТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ

Оптические методы в неразрушающем контроле или просто опти% ческий неразрушающий контроль (ОНК) – один из самых распростра% ненных и мощных методов исследования свойств объектов контроля (ОК). В его основе лежит взаимодействие оптического излучения (ОИ) с ОК. ОНК позволяет в полной мере обеспечить:

•локальность, т. е. исследование малых участков ОК;

•высокую экспрессность, т. к. скорость получения информации ограничена только скоростью света в среде;

•неконтактность, поскольку световые пучки не оставляют следов в подавляющем большинстве ОК,

•многоканальную обработку информации одним устройством кон% троля, т. к. поток электромагнитных волн имеет несколько инфор% мационных параметров – интенсивность, степень когерентности, поляризацию;

•возможность автоматизации систем контроля.

Особенно важно, что ОНК позволяет представлять измерительную

информацию наиболее удобным для человека образом, причем, во многих случаях – непосредственно (информацию можно просто увидеть!) и сразу после взаимодействия оптического излучения с ОК.

Дефекты, выявляемые ОНК, очень разнообразны. К ним относят% ся пустоты, расслоения, поры, трещины, включения инородных тел, внутренние напряжения, изменение структуры материалов и их физи% ко%химических свойств, отклонения от заданной геометрической фор% мы. Использование устройств, позволяющих преобразовывать внеш% ние воздействия (теплота, электрическое и магнитное поля) в измене% ния оптических характеристики веществ, помогло еще больше расши% рить область применения ОНК. Типичным примером таких устройств являются оптоволоконные датчики.

7

Введение в системы ОНК в качестве источников света лазеров не только значительно повысило точность и разрешающую способ% ность существующих методов контроля, но и привело к появлению це% лого набора новых. К ним относятся разнообразные применения голо% графии и использование резонансных эффектов взаимодействия света

свеществом, в том числе нелинейных.

Втаблице 1 приведены некоторые области применения ОНК и контролируемые характеристики ОК.

Таблица 1

Области применения ОНК и контролируемые характеристики ОК

По своей сути ОНК – физический эксперимент, целью которого служит определение информационных параметров ОК, происходящее в процессе обработки информационных характеристик оптического сиг% нала. Поэтому, любое устройство или прибор ОНК – это оптическая ин% формационная система (ОИС). Структурно%логическая схема ОИС при% ведена на рис. 1. Как видно из этой схемы, процесс работы ОИС выгля% дит следующим образом. Оптическое излучение, генерируемое источни% ком света, взаимодействует с ОК. Возникший в результате этого взаимо% действия оптический сигнал поступает в средство измерения. В средстве измерения на основании принятой физической модели и под влиянием внешних (по отношению к ОК) источников погрешностей формируют% ся результаты наблюдений в виде непрерывного или дискретного сигна% ла (показаний прибора). Результаты наблюдений, в свою очередь, под% вергаются процедуре оценивания, которая и позволяет получить резуль%

8

тат ОНК – сведения о состоянии и/или характеристиках ОК. При этом важную роль играет математическая модель измерения, позволяющая оценить погрешность и достоверность результата ОНК.

Рис. 1. Структурно$логическая схема оптической информационной системы (ОИС)

На основании структурно%логической схемы ОИС можно произ% вести классификацию методов ОНК. Возможны четыре способа такой классификации:

1)по виду контролируемого параметра ОК;

2)физической модели взаимодействия ОИ и ОК;

3)процедуре оценивания;

4)принципу действия средств измерений.

Впрактике ОНК наиболее употребим первый тип классификации, при котором отдельно рассматривают ОИС для определения длины ОК, его скорости, дефектоскопы, измерители давления, температуры и т. п. Однако для лучшего понимания возможностей основных типов ОИС и областей их применений значительно больше подходит четвер% тый вариант классификации ОИС.

Итак, по принципу действия средств измерений ОИС ОНК можно подразделить на такие основные типы:

• визуально фотометрические ОИС – средство измерения содержит оптическую систему, состоящую из набора линз, фотоприемник

9

(глаз или фотоэлемент), оценивание результатов наблюдений про% изводит сам наблюдатель. С помощью таких ОИС (микроскоп, те% лескоп, фотоаппарат) можно определить, главным образом, форму и размеры ОК, а основной физической моделью, которую исполь% зуют для их описания, является геометрическая оптика;

•интерференционные ОИС – средство измерения содержит интерфе% рометр. Такие ОИС производят определение пространственного распределения амплитуды, фазы и степени когерентности оптиче% ского сигнала, а в основе процедуры оценивания лежит скалярная волновая теория света. При этом контроль, как правило, произво% дится на фиксированной частоте, что достигается или за счет мо% нохроматичности источника ОИ, или путем выделения монохро% матической составляющей оптического сигнала в средстве измере% ния. Интерферометрические ОИС обладают высокой разрешаю% щей способностью и используются для высокоточных измерений линейных размеров ОК или его частей, скоростей движения ОК;

•поляризационные ОИС – средство измерения содержит поляри% метр, в качестве основного информационного параметра оптиче% ского сигнала используется степень его поляризации. Разновид% ность поляризационных ОИС – эллипсометры используются для высокоточных измерений состава и толщины тонких пленок на поверхности ОК;

•спектральные ОИС – средство измерения содержит спектроанали% затор, т. е. устройство способное пространственно разделять свето%

вые волны разных частот (призма, дифракционная решетка), и со% ответствующую оптическую систему. Применяются для изучения химического состава ОК.

Для определения результата ОНК в последних двух типах систем обычно достаточно электромагнитной теории света, однако для пони% мания процесса возникновения спектров поглощения тел необходимо привлекать квантовые представления.

Применение лазеров в ОИС позволило расширить набор тради% ционно используемых видов ОИС. В частности, сегодня можно гово% рить о промышленном применении дифракционных методов ОНК, ко% герентно%оптических и голографических ОИС.

Основное внимание будет уделено только наиболее часто приме% няемым ОИС, в особенности тем, которые вошли в инженерно%техни% ческую практику в последние годы.

10