viz_kontrol_zachita

Глаз и чувствительность пленки

Глаз весьма чутко реагирует на изменение условий освещенности и приспосабливается к ним, чего о фотопленке не скажешь. Человек видит цвета наиболее полно при ярком свете. Если освещенность сла% бая, весь мир предстает в черных, белых и серых тонах. Когда совсем темно, вы постепенно «привыкаете к темноте» – сетчатка глаза повы% шает свою чувствительность в сотни раз. Чувствительность пленки та% кой гибкостью не отличается. Однако, в отличие от глаза, пленка спо% собна накапливать свет, что позволяет при длительном экспонирова% нии преодолеть проблемы, связанные со слабым освещением. Пленка усиливает контраст между светлыми и темными частями кадра. Если в солнечный день вы находитесь в комнате, ярко освещенный пейзаж за окном виден с той же четкостью, что и более затемненный интерьер комнаты. Охватить такой диапазон пленке не под силу. Вам придется выбирать – при четкой передаче интерьера вид за окном окажется слишком вялым и бледным; если вы предпочитаете точное изображе% ние вида за окном, комната окажется практически черной. Можете представить, какова будет реакция пленки, если, полузакрыв глаза, смотреть сквозь ресницы.

Пленка не обладает светочувствительностью сетчатки, не способ% на она и, как мозг, интерпретировать увиденное. Глаз одинаково хоро% шо функционирует в полумраке или при ярком солнечном свете. Но никакая пленка не в состоянии справиться с таким диапазоном си% лы света. Поэтому она имеет разную чувствительность – параметр, ко% торый характеризует восприимчивость ее к свету. Высокочувствитель% ные пленки требуют меньше света, чтобы запечатлеть изображение, поэтому ими можно пользоваться в условиях относительно слабого ос% вещения; низкочувствительная пленка обычно используется при силь% ном и ярком свете. При съемке на цвет вам придется принять во внима% ние и цветовую характеристику источника освещения. Если, к приме% ру, вы делаете цветной снимок при искусственном освещении, а плен% ка предназначена для съемки на открытом воздухе, снимок получится слегка красноватым. Пленка зафиксирует тот факт, что искусственный источник света содержит больше красных лучей по сравнению с есте% ственным.

91

3.3. Оптические дефектоскопы

При визуальном контроле далеко расположенных поверхностей, например, отливок, изделий аэрокосмической техники широко ис% пользуются телескопические системы (лупы, бинокли и т. п.). В теле% скопических системах все предметы кажутся приближенными к на% блюдателю, а само пространство изображений – сжатым в направле% нии линии наблюдения.

Гибкие телескопические приборы включают в себя наборы опти% ческих (стеклянных) волокон. К ним относятся волокна, имеющие све% товедущую жилу из прозрачного материала с высоким показателем преломления, и оболочку из материала с меньшим показателем прело% мления.

Для контроля прецизионных изделий типа фотошаблонов приме% няют телевизионные системы (ТВМ) и фотоэлектрические (ФЭМ) ми% кроскопы, имеющие высокое пространственное разрешение (до 0,01 мкм при полях зрения порядка 0,1 мм). Для измерений средней точности используют измерительные микроскопы различных кон% струкций оптико%механического типа.

Среду с меньшим абсолютным показателем преломления называ% ют оптически менее плотной.

При переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную n2 < n1 (например, из стекла в воздух) можно наблюдать явление полного отражения, то есть исчезновение преломленного луча. Это явление наблюдается при углах падения, превышающих некото% рый критический угол пр, который называется предельным углом пол% ного внутреннего отражения (рис. 39).

Для угла падения = пр sin = 1 значение sin пр = n2/n1 < 1.

Если второй средой является воздух (n2 1), то формулу удобно пе% реписать в виде

sin пр = 1/n,

где n = n1 > 1 – абсолютный показатель преломления первой среды. Для границы раздела стекло–воздух (n = 1,5) критический угол ра%

вен пр = 42 , для границы вода–воздух (n = 1,33) – пр = 48,7 . Явление полного внутреннего отражения находит применение во

многих оптических устройствах. Наиболее интересным и практически важным применением является создание волоконных световодов, ко% торые представляют собой тонкие (от нескольких микрометров до мил% лиметров) произвольно изогнутые нити из оптически прозрачного ма%

92

териала (стекло, кварц). Свет, попадающий на торец световода, может распространяться по нему на большие расстояния за счет полного вну% треннего отражения от боковых поверхностей (рис. 40). Научно%техни% ческое направление, занимающееся разработкой и применением опти% ческих световодов, называется волоконной оптикой.

Рис. 39. Полное внутреннее отражение света на границе вода–воздух; S – точечный источник света

Рис. 40. Распространение света в волоконном световоде. При сильном изгибе волокна закон полного внутреннего отражения нарушается, и свет частично выходит из волокна через боковую поверхность

Оптическая система простейшего эндоскопа состоит из телескопи% ческой системы и плоского зеркала или призмы, размещаемых перед объективом и отклоняющих лучи на определенный угол. Наклоняя зерка% ло (призму), можно изменять угол отклонения лучей. При этом, если по% ложение зеркала изменяется на угол , лучи света отклоняются на угол 2 .

Визуальный НК основных материалов, сварных соединений и из% делий проводится невооруженным глазом или с применением оптиче% ских приборов: луп, микроскопов и визуально%оптических приборов для контроля удаленных или скрытых объектов – эндоскопов, пери% скопических дефектоскопов, зеркал, зрительных труб и др.

93

Из всего многообразия эндоскопов, борооскопов, фиброскопов, цистоскопов, гастроскопов и т. д. выделим термин эндоскоп как опре% деляющий. В переводе с греческого endos – внутри и scopeo – рассма% тривать. Эндоскопы разделяются на гибкие и жесткие. Бороскоп (bo% roscope) в иностранной литературе – это либо общее название эндоско% пов, либо название жестких эндоскопов. Фиброскоп, флексоскоп ан% глоязычные названия гибких эндоскопов от fiber – волокно, flexible – гибкий. Все остальные – это названия медицинских приборов, имею% щих в своем составе эндоскоп и предназначенных для конкретных це% лей: гастроскоп – осмотр желудка, бронхоскоп – осмотр бронхов и т. д. Поэтому применять в технике подобные названия некорректно, при том, что часто разные названия подразумевают один и тот же эндоскоп, но с разным дополниельным оборудованием.

3.3.1. Жесткие эндоскопы

Предназначены для визуального контроля узлов, к которым воз% можен прямолинейный доступ (особенно, когда эндоскопический контроль запланирован на стадии проектирования изделия). Жесткие эндоскопы используются для осмотра газовоздушного тракта авиадви% гателей, полостей машин и механизмов, пустот в стенах зданий, кана% лов и труб малого диаметра, полостей отливок, шлифовальных и хо% нингованных отверстий.

Рис. 41. Жесткий эндоскоп с качающейся призмой

Жесткий эндоскоп (оптическая трубка) состоит из визуальной и осветительной системы. Визуальная система состоит из линзовой, стержневой или градиентной оптики, которая заключена во внутрен% нюю металлическую трубку. Осветительная система состоит из оптиче% ского волокна, которое расположено между двумя металлическими трубками: наружной и внутренней.

94

Жесткие эндоскопы характеризуются четырьмя основными пара% метрами: диаметром рабочей части, длиной рабочей части, углом на% правления наблюдения и углом поля зрения.

Наиболее распространенные диаметры рабочей части: 1,7; 2; 2,7; 4; 6; 8 и 10 мм. Длина жестких эндоскопов обычно варьируется в пределах от 100 до 1000 мм и изменяется с шагом 200...300 мм. Основные углы направления наблюдения 0, 30, 45, 75, 90 и 110 . Угол направления на% блюдения может быть и плавно изменяемым в эндоскопах с качающей% ся призмой – от 30 до 110 . Угол поля зрения, как правило, варьирует% ся от 50 до 90 , при этом необходимо учитывать, что увеличение поля зрения приводит к уменьшению детализации, т. е. можно видеть много и мелко или мало и крупно.

Основное преимущество жестких эндоскопов – высокая разре% шающая способность – до 25 линий на миллиметр.

3.3.2. Гибкие эндоскопы

Не всегда возможен прямой доступ к объекту или сам объект име% ет сложную геометрию, например, газотурбинные, электрические дви% гатели, турбогенераторы, котлы, теплообменники, трубы водоснабже% ния, канализации, промышленные коммуникации. В этом случае для визуального контроля применяются гибкие эндоскопы.

Рис. 42. Гибкие эндоскопы

95

В гибких эндоскопах визуальная система и система передачи све% та состоят из волоконной оптики, смонтированной внутри гибкой трубки с управляемым дистальным концом.

Канал для передачи изображения представляет собой линзовый объектив, который строит изображение исследуемого объекта на торце кабеля передачи изображения. Далее изображение передается по кабе% лю, состоящему из большого числа волокон толщиной 10...12 мкм. Рас% положение торцов волокон на входе кабеля точно должно соответство% вать их расположению на выходе, т. е. должна быть регулярная укладка. Изображение, полученное на конце кабеля, рассматривается через оку% ляр, имеющий диоптрийную подвижку для подстройки под глаза.

Канал для передачи света представляет собой, как правило, свето% рассеивающую линзу, вклеенную в головку прибора, световолоконный жгут с нерегулярно уложенными волокнами толщиной 25 мкм. Конец световолоконного жгута вмонтирован с специальный наконечник, подключающийся к осветителю.

Гибкие эндоскопы имеют управляемый дистальный конец, изги% бающийся в одной или двух плоскостях. Как правило, это определяет% ся диаметром рабочей части. Обычно в эндоскопах малого диаметра (6 мм и менее) изгиб осуществляется в одной плоскости, а в более кру% пных – в двух. В эндоскопах различных производителей угол изгиба бывает от 90 до 180 . К тому же эндоскопы могут комплектоваться нас% адками или объективами бокового наблюдения. Это важно, если есть необходимость осматривать, например, стенки труб малого диаметра, где изгиб дистального конца невозможен.

Эндоскопы могут иметь канал для гибкого инструмента при необходимости осуществления манипуляций, например, захвата пред% метов, взятия пробы и т. д.

Основным недостатком гибких эндоскопов по сравнению с же% сткими является более низкая разрешающая способность.

При выборе гибкого эндоскопа руководствуются двумя основны% ми параметрами: диаметром и длиной рабочей части. Наиболее распро% странены диаметры 4, 6, 8 и 10 мм. В последнее время ведущие произ% водители предлагают гибкие эндоскопы с диаметром рабочей части от 0,5 до 2 мм. Длины рабочей части изменяются от 500 до 3000 мм с ша% гом, как правило, 500 мм. Угол поля зрения составляет 50...60 , при необходимости он может быть увеличен до 90...100 .

Обычно гибкие эндоскопы имеют герметичную маслобензостой% кую рабочую часть с покрытием из нержавеющей стали.

96

Видеоэндоскопы

Гибкие волоконно%оптические эндоскопы имеют ряд недостатков, наиболее существенные из которых – невысокая разрешающая способ% ность и ограничение по длине, определяемые волокном передачи изо% бражения. Модернизация или, точнее, замена в системе передачи изо% бражения гибкого эндоскопа волоконно%оптического жгута на элек% тронику позволила повысить разрешающую способность приборов и увеличить их длину и привела к появлению видеоэндоскопов. Изобра% жение в них через объектив попадает на ПЗС%матрицу, затем сигнал по кабелю передается в блок преобразования и выводится на монитор.

В настоящее время в мире производятся видеоэндоскопы с диаме% трами рабочей части 6, 8, 10, 12, 16 и 20 мм и длиной от 2 до 30 м.

Рис. 43. Видеоэндоскоп

Для качественного визуального контроля объектов необходимо иметь их хорошее освещение. В эндоскопах для этой цели служит си% стема передачи света, работающая совместно с мощным источником, называемым осветителем.

97

Осветители в зависимости от типа лампы, галогенные, металлога% лоидные и ксеноновые.

В галогенных осветителях, как правило, используют 100% или 150%ваттные галогенные лампы. Основное их преимущество – деше% визна. Недостатки – высокое энергопотребление при относительно не% высоком световом потоке, малый срок службы лампы (порядка 50 ча% сов) и смещенный в желтую область спектр.

Металлогалоидные осветители имеют 24%ваттную лампу. Они зна% чительно дороже галогенных, однако обладают рядом достоинств: низ% кое энергопотребление при световом потоке, сравнимом с 200%ваттной галогенной лампой, длительный срок службы лампы – 600...800 часов; спектр приближенный к естественному белому свету. Данные осветители являются наиболее предпочтительными для приме% нения с техническими эндоскопами.

Ксеноновые осветители – наиболее мощные осветительные систе% мы, но и самые дорогие. Они находят небольшое применение.

3.3.3. Эндоскопические видеосистемы

Эндоскопические видеосистемы предназначены для вывода изо% бражения на монитор и документирования результатов контроля. Они используются с жесткими и гибкими волоконно%оптическими эндо% скопами.

Рис. 44. Видеосистема с жестким эндоскопом

98

В общем случае видеосистема состоит из оптико%механического адаптера с видеокамерой, присоединяемого к окуляру эндоскопа, бло% ка управления и монитора. В некоторых случаях блок управления мо% жет отсутствовать. Вместо монитора возможно использование бытово% го телевизора или компьютера с устройством ввода–вывода видеосиг% нала. Видеокамеры, в зависимости от решаемых задач, изготавливают% ся черно%белые или цветные. Как правило, все они имеют разрешаю% щую способность порядка 470 ТВ линий (S%VHS).

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

Система Everest XLG3TM VideoProbe® является усовершенство% ванным гибким эндоскопом на основе видеоизображений, используе% мых для дистанционного визуального контроля. Работая посредством ввода через отверстия для осмотра, система XLG3 обеспечивает полу% чение изображений с высоким разрешением внутренних видов газотур% бинных двигателей, авиационных конструкций, автомобильных двига% телей, трубопроводов, резервуаров, коробок подач ветряных двигате% лей, подводных конструкций и прочее.

Рис. 45. Видеозонд системы Everest XLG3

Волоконно%оптический пучок зонда (рис. 45) освещает участок контроля с помощью света, формируемого дуговой лампой в 75 Вт с разрядом высокой интенсивности HID (High%Intensity Discharge), установленной в основании прибора. В конце зонда миниатюрная ка% мера преобразовывает изображение в электронное изображение и пе% редает его через зонд обратно в прибор. Эта система воспроизводит изображение на экране портативного дисплея с органами управления. Никакой фокусировки не требуется, так как система XLG3 имеет опти% ческую систему с большой глубиной резкости.

99

Система XLG3 совместима с различными съемными устройствами хранения данных: DVD, картами памяти для подключения к компьюте% ру, картами памяти цифрового фотоаппарата, портативными накопите% лями – с любым совместимым устройством, основывающимся на тех% нологии USB или PCMCIA.

Система оснащена измерительными средствами – оптическими наконечниками, с помощью которых можно измерять дефекты и гео% метрические элементы изображения (детали конструкции).

Система Everest XLG3 поддерживает методы измерений (табл. 10), каждый из которых имеет свои особенности.

Таблица 10

Особенности методов измерений, поддерживаемых системой XLG3

Визуально%оптический контроль помимо эндоскопического осмо% тра внутренних поверхностей объектов контроля дает возможность до% стоверно оценивать размеры найденных дефектов в широком диапазо% не ракурсов их наблюдения: длину, ширину, глубину/высоту, площадь, периметр, длину ломаной линии, профиль поперечного сечения де% фекта. Для определения размера дефекта на объективе может быть на% несена прозрачная шкала, а к шкале придана переводная таблица, по% зволяющая по числу делений по шкале и расстоянию от проверяемого участка до точки излома оптической оси эндоскопа измерить дефект. На рис. 46 приведена картина изображения дефектов поверхности (ра% ковины) на фоне измерительной шкалы.

100