Підвищену чутливість має двоканальний пристрій із посиленням зі змінного струму, функціональна схема якого зображена на рис. 2.9 [1].

Рисунок 2.9 - Функціональна схема двоканального пристрою радіохвильового контролю

Джерелом НВЧ-коливань у ньому є генератор Г, що живиться від блока живлення СБЖ і модулятора МД, який створює прямокутну напругу з частотою 1 кГц і подає його на лавинно-пролітний діод або на відбивний клістрон. Унаслідок НВЧ-коливання також мають обвідну у вигляді прямокутного радіоімпульсу. Радіоімпульси через атенюатор А, вентиль ВН і секцію контролю потужності КП надходять до простого трійника Т, який поділяє НВЧ-енергію на дві рівні частини, що напрямляються в однакові випромінювальні рупори РВ1 і РВ2. Частина НВЧ-енергії відбивається від зовнішньої поверхні контрольованого об'єкта КО й еталону ЕТ, але загасає у вентилі й атенюаторі та майже не впливає на роботу генератора Г. Якщо властивості об'єкта контролю й еталона однакові, то напруженість електричного поля в 1 і 2 каналах (об'єкта контролю й еталону) однакова. Тому після випрямлення діодами Д1 і Д2 НВЧ-сигнали напруги на резисторах R1 і R2 матимуть вигляд однакових прямокутних імпульсів. Отримати максимальний сигнал дозволяє налаштування за допомогою короткозамикальних настроювальних поршнів НП1 і НП2. Ураховуючи різну полярність напруг і , неважко бачити, що потенціал середньої точки потенціометра при певному положенні його движка, який досягається при налаштуванні, дорівнюватиме нулю (). Унаслідок цього напруги на виході підсилювача П і фазового детектора ФД також дорівнюватимуть нулю та не викличуть відхилення стрілкового приладу СП.

Припустимо, контрольований об'єкт має товщину меншу за номінальне значення. У цьому разі напруженість поля в приймальному рупорі РП2 буде більшою, ніж при номінальному значенні товщини об'єкта, збільшиться імпульс напруги () на виході детектора Д2, що призведе до появи напруги () на движку потенціометра R і відповідно на виході підсилювача П () при збільшенні товщини. Внаслідок роботи фазового детектора ФД з урахуванням фази опорної напруги, створюваного модулятором М і збіжного, наприклад, з напругою , на його виході з'явиться постійна негативна вихідна напруга, яку покаже стрілковий прилад СП.

Таким чином, двоканальний пристрій, побудований відповідно до функціональної схеми, зображеної на рис. 2.9, має підвищену чутливість за рахунок порівняння сигналів еталонного та контрольованого об'єктів або за рахунок наявності посилення прирощення сигналів обвідної НВЧ-коливань зі змінного струму. Використання модуляції прямокутними імпульсами та застосування фазового детектора ФД є типовим і дає можливість підвищити чутливість і визначити знак прирощення контрольованого параметра.

Пристрій із двома каналами (див. рис. 2.9) дозволяє визначити зміни товщини, магнітної та діелектричної проникності, питомої електричної провідності, а також наявність неоднорідностей в об'єкті. Радіохвильовий контроль за допомогою цього пристрою може проводитися трьома різними способами: абсолютними вимірами параметрів контрольованого об'єкта, відносними вимірюваннями (контроль відхилення в полі допуску) шляхом порівняння з еталоном або зразковим об'єктом (цей режим описаний раніше) і шляхом самопорівняння двох різних ділянок контрольованого об'єкта, що характеризує високу універсальність цього пристрою, а також забезпечує високу стабільність нуля і можливість реалізації високої чутливості п рахунок посилення сигналів зі змінного струму. Однак такий пристрій не дає можливості вести радіохвильовий контроль із урахуванням фази НВЧ-сигналів, що пройшли, це знижує його інформаційної здатності. Таку обробку можна проводити, якщо до випрямлення НВЧ-сигналів використовувати трійник, де відбуватиметься їх додавання з урахуванням фази.

Функціональна схема найпростішого варіанта пристрою для радіохвильового контролю прохідного випромінювання, з урахуванням амплітудних і фазових характеристик НВЧ-сигналів, що використовується у дефектоскопії, наведена на рис. 2.10 (основні позначення відповідають рис. 2.9). Цей пристрій містить два однакові прості Т1 і Т2 трійники, що дозволяє розділити випромінену енергію на два потоки, а потім додати отримані НВЧ-сигнали.

Розглянуті пристрої дозволяють вирішити більшість практичних завдань, доступних для контролю прохідного випромінювання.

2.6.6 Параметричні методи контролю

Рисунок 2.10 - Функціональна схема амплітудно-фазового НВЧ-приладу

Протяжний контрольований об'єкт КО (наприклад, труба або пруток) можна поміщати в порожнину об'ємного резонатора Р або хвилевідний тракт Х. Якщо об'єкт поміщений у порожнину резонатора Р (рис. 2.11 а), то він змінює його робочий об'єм (резонансну частоту) або створює додаткові втрати енергії (зменшує добротність). Для металевих виробів основним є зміна частоти, що дає можливість проводити контроль зовнішнього діаметра труби D, прутка і т. п. У разі, коли труба виготовлена з діелектричного матеріалу, факторами, що впливають, є всі геометричні розміри труби (зовнішній D і внутрішній d діаметри, товщина) й електромагнітні параметри (діелектрична та магнітна проникності, питома електрична провідність). За схемою рис. 2.11 а можна організувати радіохвильовий контроль виробів у технологічному потоці.

При контролі виробів у вигляді коротких труб можна їх увімкнути безпосередньо в НВЧ-тракт (рис. 2.11 б). У такому варіанті труба може бути розглянута як відрізок хвилеводу або довгої лінії з певними параметрами, що приводять до зміни характеристик відбитої хвилі. Для кращого узгодження хвилевідного тракту з відрізком труби ділянки хвилеводів ПХ і ОХ виконані спеціальної форми, плавно сполучуваної із поперечним перерізом труби КО, а на їх краях для зниження затікання струмів на зовнішню поверхню хвилеводів ПХ і ОХ виконані короткозамкнені чвертьхвильові ділянки КП1 і КП2. Певний режим роботи вимірювальної ділянки хвилеводу забезпечує відрізок хвилеводу ОХ, що навантажений на короткозамкнену секцію з настроюваним поршнем НП (рис. 2.11 б) або на узгоджене навантаження для отримання режиму біжучої хвилі. На рис. 2.11 в показаний об'єкт у вигляді діелектричного покриття на металевій основі. Однією зі стінок резонатора Р у цьому разі служить металева основа, де використаний НВЧ-генератор із частотною модуляцією (хитна частота). Як первинний перетворювач у ньому застосований вимірювальний резонатор, резонансна частота якого залежить від товщини покриття та його діелектричних параметрів. За зсувом резонансної частоти знаходять контрольовану величину.

Рисунок 2.11 - Контроль геометричних розмірів і фізико-хімічних властивостей: а - об'ємним резонатором; б - хвилеводом; в - відкритим резонатором

Успішно використовуються параметричні радіохвильові методи при контролі рівня та кількості рідин або летких речовин. У цьому разі відрізок хвилеводу або довгої лінії зазвичай запаюють з одного кінця, з іншого підключають вимірювальну апаратуру, а рідину або газ вводять збоку через спеціально передбачений отвір, який не повинен істотно впливати на параметри НВЧ-тракту.

За допомогою резонатора Р або відрізків хвилеводів Х (рис. 2.12) можна проводити контроль електромагнітних властивостей різних речовин. При цьому тверді тіла безпосередньо поміщають в об'єм резонатора або хвилеводу (рис. 2.12 а), а рідкі, сипкі та газоподібні речовини попередньо завантажують у дозувальні ампули (рис. 2.12 б) або пропускають по спеціально передбачених трубках.

а б

Рисунок 2.12 - Схема контролю фізико-хімічних властивостей: а - твердих тіл; б - рідин

Параметричні радіохвильові методи дають можливість виявляти лише досить грубі неоднорідності (дефекти), такі як, наприклад, металеві включення в діелектрику, і внаслідок цього мають обмежену область застосування, виняток становлять дефектоскопи, побудовані на принципах ядерних магнітних резонансів.

Контроль за одним параметром має досить обмежені можливості та часто не дозволяє отримати більшу точність і достовірність, у зв'язку з цим багатопараметричний контроль застосовується у двох випадках: потрібно виміряти один параметр незалежно від інших величин і необхідно визначати декілька параметрів у контрольованому об'єкті одночасно або поетапно.

2.6.7 Візуалізація радіохвильових полів

Рисунок 2.13 - Схема пристрою радіовізора

Радіовізор є широкосмуговим пристроєм, дає наочну картину розподілу густини енергії електромагнітного поля, простий у використанні й успішно застосовується для радіохвильового та теплового контролю. Незручністю під час роботи з ним є невисока чутливість, невеликі розміри зображення й те, що результати контролю залежать від досвіду оператора.

Отримання зображення в реальному масштабі часу можливе також за допомогою рідких кристалів і фотоемульсій (фотоплівок), що сприйнятливі до теплової дії НВЧ-випромінювання.

Засоби візуалізації НВЧ-полів можуть бути застосовані так само для отримання й аналізу інтерференційних картин і голографічних зображень [1, 5, 6].

3.Оптичний контроль

3.1 Загальні питання оптичного контролю

Оптичні методи діагностики матеріалів базуються на взаємодії світлового випромінювання з контрольованим об'єктом і реєстрації результатів цієї взаємодії [1-8]. Методи, характерні для оптичного контролю, використовують електромагнітне випромінювання діапазону довжин хвиль у вакуумі від до 103 мкм ( Гц) й охоплюють ультрафіолетове (УФ), видиме (ВВ) й інфрачервоне (ІЧ) випромінювання. При цьому поєднуються вони між собою спільністю застосовуваних методик, способів і прийомів проведення контролю. У більшості варіантів контролю довжина хвилі світла мала порівняно з геометричними розмірами деталей, елементів і дефектів контрольованих об'єктів, що дозволяє використовувати при аналізі взаємодії випромінювання з об'єктом методи геометричної оптики. Разом із тим у ряді випадків (виявлення дефектів малих розмірів, контроль тонких плівок, випробування голографічними й інтерференційними методами та ін.) застосовуються методи, характерні для аналізу хвильових процесів [9]. У цій частині методи оптичного контролю близькі до методів радіохвильового контролю, аналогічні й величини, що несуть корисну інформацію.

Оптичні методи контролю якості можна умовно розділити на три групи:

1. Візуальний і візуально-оптичний методи характеризуються тим, що результати контролю найбільшою мірою визначаються особистими якостями оператора: його зором, умінням та досвідом. Візуальні методи контролю якості найбільш доступні та прості, тому мають велике поширення.

2. Фотометричний, денситометричний, спектральний і телевізійний методи здебільшого будуються на результатах апаратурних вимірювань і забезпечують меншу суб'єктивність контролю, їх застосування за складом контрольно-вимірювальних операцій ближче до роботи з електронно-вимірювальними приладами.

3. Інтерференційний, дифракційний, фазовоконтрастний, рефрактометричний, нефелометричний, поляризаційний, стробоскопічний і голографічний методи використовують хвильові властивості світла та дозволяють виробляти неруйнівний контроль об'єктів із чутливістю до десятих часток довжини хвилі джерела випромінювання.

За допомогою оптичних методів можна контролювати об'єкти з матеріалів, прозорих і напівпрозорих для світлового випромінювання. Якщо ж матеріал об'єкта непрозорий, у такого об'єкта можна перевіряти стан зовнішніх і внутрішніх поверхонь або розмірів. Залежно від властивостей матеріалу контрольованого об'єкта оптичний контроль здійснюється у відбитому, прохідному або розсіяному випромінюванні, а в необхідних випадках і при комбінованому освітленні. Параметри джерел світла (інтенсивність, спектр, напрямок, поляризація і т. д.) обирають, виходячи з конкретних умов, щоб забезпечити максимальний контраст зображення. У всіх випадках бажано мати в приміщенні загальне освітлення, що створює освітленість не менше 10 % від використовуваного місцевого освітлення. При цьому використовують поняття контрасту зображення дефекту: нормований перепад яскравості на дефектній ділянці та фоні навколо дефекту, тобто відбитого або світла, що пройшло крізь матеріал контрольованого об'єкта:

де - яскравість зображення дефекту і фону, кд/м2.

3.1.1 Загальні правила з техніки безпеки та охорони праці

Оптичний контроль відбувається при підвищеному навантаженні на очі оператора, що необхідно враховувати під час його організації. Особливу небезпеку можуть становити джерела, що несуть концентровані потоки світлової енергії, насамперед чергу оптичні квантові генератори - лазери [21-. Тому робота з лазерними установками, особливо при значних потужностях, повинна здійснюватись у спеціальних приміщеннях із використанням захисних окулярів зі світлофільтрами, що затримують велику частину випромінювання, і під час екранування найбільш небезпечної частини установки. Потрібно пам'ятати, що найбільш небезпечне опромінення очей, вони уражаються випромінюванням квантового генератора настільки швидко, що при опроміненні важко вжити захисні заходи, які у разі небезпеки необхідно передбачити заздалегідь. Максимально допустимі рівні густини потоку потужності залежно від типу лазера, довжини хвилі та режиму роботи оператора становлять для шкіри 0,1 Дж/см2, а для очей - 0,002-1,0 мкДж/см2.

Як індивідуальні засоби захисту персоналу, який працює з квантовими генераторами, можуть бути застосовані: захисні окуляри, спеціальний одяг і рукавички, а також креми (із двоокисом титану та цинку) для додаткового захисту шкіри обличчя та рук. Підвищену увагу при великих потужностях лазерного випромінювання, хоча б й імпульсних, потрібно приділяти протипожежній безпеці.

3.2 Джерела світла

У неруйнівному контролі якості під джерелом світла розуміють випромінювач електромагнітних коливань в оптичній частині спектра: інфрачервоній, видимій та ультрафіолетовій. Для отримання світлових потоків використовують електричні лампи розжарювання, газорозрядні і люмінесцентні, світлодіоди та оптичні квантові генератори . В оптичному контролі якості найбільшого поширення на сьогодні отримали лампи розжарювання в спеціальному виконанні та оптичні квантові генератори.

1. Лампи розжарювання випускають світло за рахунок нагрівання електричним струмом провідника у вигляді спіралі з тугоплавкого матеріалу, що змонтована в колбі, заповненій інертним газом (криптон, ксенон) або вакуумованій (до  мм рт. ст.). Лампи розжарювання відрізняються різноманітністю конструкцій та областей застосування, електричними параметрами та потужністю, спектральним складом, зручністю у використанні та простотою обслуговування, що визначає велике поширення їх серед джерел світла. Недоліком ламп розжарювання є порівняно невеликий термін служби, що обмежується випаровуванням металу нитки розжарювання, а також малим ККД.

Галогенні лампи володіють великою світловою віддачею у видимому діапазоні світла, мають великий термін служби і застосовуються для створення великих світлових потоків у проекційних апаратах, мікроскопах та ін. Такі лампи для оптичних приладів виготовляють зазвичай на невеликі напруги джерела електроживлення (6-24 В), щоб використовувати нитку розжарювання невеликих розмірів і поліпшити однорідність створюваного світлового потоку.

2. Газорозрядні лампи використовують світловий ефект, що з'являється під час виникнення електричного розряду в газах або паpax. У газорозрядних лампах різної конструкції та потужності використовують різний тиск газу або пари в колбі та різні види розряду: дуговий, тліючий або імпульсний. Ці лампи мають високу світлову віддачу і великий термін служби.

Найбільше поширення для організації загального освітлення виробничих приміщень і лабораторій отримали люмінесцентні лампи. Це газорозрядні лампи низького тиску, в яких ультрафіолетове випромінювання парів ртуті перетворюється люмінофором, нанесеним на внутрішню поверхню циліндричної колби, випромінювання видимого світла, близького до природного денного світла. Спектр випромінювання газорозрядних ламп близький до лінійчатого.

3. Світловипромінювальні діоди є малогабаритними напівпровідниковими джерелами інфрачервоного або видимого світла, зазвичай близького до монохроматичного (червоний, зелений, блакитний та ін.) Вони побудовані на основі напівпровідникових матеріалів, леговані малими кількостями домішок, спеціально підбираються для отримання світла необхідної довжини хвилі. Світловипромінювальні діоди мають такі самі переваги, як й елементи напівпровідникової техніки. Вони створюють потоки невеликої величини і тому використовуються лише в деяких малогабаритних пристроях.

4. Оптичні квантові генератори (лазери) [22] - це джерела світла, що працюють на базі процесу вимушеного (стимульованого, індукованого) випускання фотонів збудженими атомами або молекулами під впливом фотонів випромінювання, що мають ту саму частоту. Оптичні квантові генератори створюються на базі різних активних середовищ: газоподібному, рідкому або твердому. Вони можуть давати випромінювання в досить широкому діапазоні довжин хвиль - від 100 нм (ультрафіолетове світло) до 1,2 мкм (інфрачервоне випромінювання) - і можуть працювати як у безперервному, так і в імпульсному режимі.

Лазер складається із трьох принципово важливих вузлів: випромінювача, системи накачування та джерела живлення, робота яких забезпечується за допомогою спеціальних допоміжних пристроїв.

В оптичному контролі якості лазери можуть застосовуватися як джерела вузького монохроматичного пучка світла під час вирішення контрольно-вимірювальних завдань, для чого потрібна підвищена точність, але головні галузі їх застосування, де вони незамінні, пов'язані з використанням хвильових властивостей світла - інтерференції, дифракції й т. д.

3.3 Основні оптичні елементи та пристрої

У практиці оптичного контролю якості застосовують різні елементи та пристрої, що утворюють найбільш важливий вузол оптико-електронних приладів і блоків устаткування - оптичну систему [22-25]. Головним призначенням оптичної системи є отримання достатнього потоку світлової енергії корисних сигналів або чіткого зображення досліджуваного об'єкта. Одним із центральних понять для оптичної системи є поняття «оптична вісь» - лінія, на якій розміщуються центри заломлювальних або відбивних поверхонь елементів системи. Якщо центри всіх елементів системи знаходяться на оптичній осі, вона називається головною. Деталі зображення, розміщені близько до оптичної осі, виходять найбільш чіткими.

Оптична система може складатися з різних елементів: лінз, дзеркал, призм, фільтрів тощо за різних поєднань і залежно від конкретного її призначення. Вона характеризується фокусною відстанню, роздільною здатністю, світлосилою, кутом поля зображення (зору) та ін.

Фокусною відстанню системи (переднім або заднім) називають відстань від фокуса до головної точки, тобто точки, де в площині, перпендикулярній до головної оптичної осі, зображення збігається з його натуральною величиною. Якщо середовища об'єктів і зображень мають однакові оптичні властивості, то передня та задня фокусні відстані однакові. Фокуси системи відповідають зображенню нескінченно віддаленої точки.

Роздільною здатністю оптичної системи називають мінімальну відстань між простими розрізнюваними елементами об'єкта, близько розташованими в просторі. В оптиці роздільна здатність зазвичай вимірюється числом ліній, помітних на довжині 1 мм.

1. Лінзою називають деталь, виготовлену із полірованого прозорого для випромінювання, що пропускається, матеріалу, обмеженого криволінійними полірованими поверхнями. Залежно від форми та положення фокуса лінзи бувають збиральні, розсіювальні та спеціальні. Фокусна відстань лінзи визначається її геометрією та матеріалом. При побудові зображення, створюваного лінзою (простого однолінзового об'єктива), використовують властивості проходження світлових променів крізь лінзу: промені, що йдуть паралельно головній оптичній осі, після лінзи проходять через точку фокуса, а промені, що проходять через центр лінзи і не заломлюються, якщо лінза тонка.

В об'єктиві, що складається із декількох лінз, отримання зображення і розрахунки його характерних точок робляться послідовно.

Зображення, що отримують на виході оптичної системи, щодо зображення об'єкта має різні спотворення, які називають абераціями. Аберації можуть бути геометричними і хроматичними, зумовленими неоднаковим проходженням світла різних довжин хвиль.

Геометричні аберації виникають через використання широких або похило падаючих пучків світла (сферична аберація, кома, астигматизм, дисторсія) і призводять до розмиття та спотворення форми зображення об'єкта, зміни відстаней і кутів між елементами зображення.

Сферична аберація полягає в отриманні замість точки зображення у вигляді кільця розсіяння, кома - у вигляді витягнутої та нерівномірно освітленої плями, що нагадує комету.

Астигматизм призводить до отримання еліптичного зображення замість кільця, а дисторсія - до викривлення прямих ліній, унаслідок чого квадрат має подушкоподібну або бочкоподібну форму.

Хроматичні аберації проявляються під час зміни довжини хвилі монохроматичного світла або при використанні світла складного спектрального складу, наприклад білого. Причина хроматичних аберацій - дисперсія світла, тобто залежність оптичних властивостей матеріалу (показника заломлення речовини, загасання й ін.) елементів оптичної системи від довжини хвилі світла. Внаслідок хроматичних аберацій зображення розмивається й у площині зображень утворюються райдужні смужки.

Для зменшення аберацій обмежують поле зору діафрагмами, застосовують лінзи з тонких і якісних матеріалів, а об'єктиви роблять із багатьох елементів (лінз, дзеркал та ін.), що підбираються так, щоб внесені ними спотворення взаємно компенсувалися.

2. Дзеркалом називають оптичний елемент із полірованою поверхнею, що утворює необхідні світлові потоки або зображення шляхом відбиття падаючих на нього променів. Дзеркала виготовляють із металів (срібло, алюміній, золото, хром, нікель та ін.) або шляхом напилювання плівок із цих металів на тверді матеріали (скло, кераміку, сталь і т. д.). Дзеркала можуть виконувати ті самі функції, що й лінзи, зокрема на їх основі можуть створюватися дзеркальні об'єктиви, а в поєднанні з лінзами отримують дзеркально-лінзові об'єктиви. У деяких випадках використовують напівпрозорі дзеркала, що частково відбивають і пропускають світлове випромінювання.

3. Призмою називають оптичний елемент, виконаний з однорідного матеріалу у вигляді фігури, обмеженої кількома пересічними площинами, що має зокрема дві паралельні грані (основи), які є рівними багатокутниками, а інші грані (бічні) - паралелограмами. Призми використовуються для зміни напрямку ходу променів і можуть створювати хроматичні аберації.

4. Фільтри (світлофільтри) - пристрої, призначені для пропускання світла необхідного електромагнітного спектра та затримки заважаючого світлового випромінювання. Особливістю фільтрів у оптичному діапазоні є зменшення розмірів деталей і елементів, що визначають спектральні властивості, відповідно до довжини хвилі.

5. Діафрагми, маски та шаблони застосовують для обмеження прохідного світлового потоку або його спектрального складу в площині, перпендикулярній до головної оптичної осі. Ці пристрої часто виконуються у вигляді пластини з отворами.

6. Волоконно-оптичні світловоди. Волоконний світловід є фактично діелектричним хвилеводом, виконаним з двох оптично прозорих шарів круглого поперечного перерізу - сердечника та оболонки. Елементарним світловодом є тонка нитка діаметром 10-20 мкм, причому зовнішній шар має товщину 1-3 мкм і виготовлений зі скла з меншим показником заломлення, ніж сердечник. Тому промені світла, потрапляючи в центральну частину світловода, відчувають повне внутрішнє відбиття від межі сердечника чи оболонки та передаються вздовж світловода.

Для передачі світлових потоків чи зображень окремі світлопровідні волокна об'єднують у джгути. Великою перевагою волоконно-оптичних джгутів є передача зображення при їх вигині за будь-яким профілем на відстань до декількох метрів і різноманітні можливості з кодування світлової інформації. Якщо виконати вхідний і вихідний торці волоконно-оптичного джгута різної конфігурації або по-різному розташувати в них волокна, то можна виробляти перетворення зображень (розтягувати, стискати, повертати, розщеплювати та виробляти будь-які інші перетворення форми). Ця особливість відкриває великі можливості з обробки оптичної інформації, підвищення точності та достовірності контролю.

3.4 Первинні перетворювачі оптичного випромінювання

Випромінювання оптичного діапазону можуть перетворюватися у видиме зображення (інфрачервоне й ультрафіолетове) або в електричний сигнал.

Первинні вимірювальні перетворювачі світлового випромінювання в електричний сигнал є основою автоматизованих пристроїв неруйнівного оптичного контролю. Як первинні вимірювальні перетворювачі використовують: фоторезистори, фотодіоди, фототранзистори, вакуумні фотоелементи й фотоелектронні помножувачі, матриці на базі напівпровідникових матеріалів і передавальні телевізійні трубки [23-26].

1. Фоторезистори та вакуумні фотоелементи мають найкращі метрологічні характеристики під час перетворення інтенсивності світла в електричний сигнал. Фоторезистори можуть забезпечити реєстрацію невеликих світлових потоків у широкому спектральному діапазоні довжин хвиль падаючих фотонів, особливо під час охолодження їх до кріогенних температур (охолоджувані болометри). Їх недоліком є нелінійність світлової характеристики та виявлювана іноді інерційність. Вакуумні фотоелементи мають лінійну світлову характеристику, але оскільки в них використовується зовнішній фотоефект, їх чутливість невелика, а спектральний діапазон роботи менший, що проявляється особливо сильно поблизу «червоної межі» для квантів із малою енергією. Ці властивості обумовлюють застосування вакуумних фотоелементів для точних світлотехнічних вимірювань.

2. Фотодіоди та фототранзистори мають високу чутливість, але недостатньо стабільні характеристики (сильна залежність від температури). Тому вони застосовуються в тих випадках, коли сигнал носить імпульсний характер і невеликі зміни їх параметрів не роблять істотного впливу на результати контролю.

3. Фотоелектронні помножувачі мають характеристики, подібні фотоелементам, але володіють порівняно з ними високою (в 10-104 рази) чутливістю до освітленості. Значно більші шуми і необхідність високовольтного живлення обмежують сферу їх застосування.

У зв'язку з досягненнями мікроелектронної технології починають широко використовувати матричні прилади [25] у вигляді лінійок або пластин із напівпровідникових елементів з упорядкованим розташуванням виведень та прилади із зарядним зв'язком. Ці прилади служать базою для апаратури оптичного неруйнівного контролю, що сприймає оптичні сигнали в просторі шляхом їх квантування та подальшої дискретної обробки. На їх основі будуються також твердотілі аналоги електронно-променевих вакуумних трубок, що дозволяють отримати електричні сигнали про розподіл освітленості в просторі.

4. Електронно-променеві вакуумні передавальні трубки перетворять сформоване на їх вхідні мішені зображення в упорядковану послідовність електричних сигналів, що дає можливість отримувати та обробляти великий обсяг інформації про контрольований об'єкт. Для роботи електронно-променевих передавальних трубок необхідні високовольтний блок живлення електродів трубки, блок живлення електромагнітного фокусування, генератори малої та кадрової розгорток. Тому конструкція передавальної камери з електронно-променевою трубкою є складною та вимагає якісного настроювання. Серед різних видів передавальних електронно-променевих трубок найбільш часто застосовують такі: відикон, суперортикон і дисектор.

Суперортикон - передавальна електронно-променева вакуумна трубка, що використовує зовнішній фотоефект. За рахунок перенесення електронів, що з'явилися внаслідок впливу квантів падаючого світла на двосторонню накопичувану мішень і застосування внутрішнього фотоелектронного множення, він має дуже високу чутливість порівняно з іншими трубками. Однак його недоліки - складність у виробництві та експлуатації, великі спотворення зображення при потраплянні на мішень елементів зображень із великою яскравістю обмежують його застосування.

Відикон - електронно-променева вакуумна трубка, що використовує внутрішній фотоефект із накопиченням зарядів. Відикон має меншу чутливість, ніж суперортикон, і дещо гірше передає швидко рухомі зображення. Спектральні характеристики відикона визначаються матеріалом фотокатода. Наприклад, мішені для роботи у видимому діапазоні світла виготовляють зі сполук сурми, селену, миш'яку, сірки; в інфрачервоному - із сульфіду свинцю; в ультрафіолетовому - із селену, що володіє широкою спектральною характеристикою. На базі відикона створені інші електронно-променеві трубки, наприклад плумбікон і кремнікон, в яких реалізовані останні досягнення напівпровідникової технології і використовуєть більш складні мішені, що дозволяє збільшити чутливість і знизити інерційність трубки.

Дисектор - електронно-променева передавальна вакуумна трубка без накопичення заряду, що використовує зовнішній ефект. Вона містить фотокатод, секцію фокусування та розгортки зображення, а також вторинно-електронний помножувач. Дисектори, що випускаються промисловістю, мають хороші експлуатаційні показники (механічна міцність, стійкість до несприятливих зовнішніх впливів і т. д.), лінійну світлову характеристику, дають можливість отримати високу роздільну здатність за яскравістю та в просторі (окремі екземпляри до 3000 рядків).

3.5 Основні методи оптичного контролю

Візуально-оптичним називають неруйнівний контроль якості із застосуванням оптичних засобів, що дозволяють істотно розширити межі природних можливостей органів зору людини. Він є технічним продовженням візуального контролю, дає можливість виявляти більш дрібні дефекти та проводити вимірювання з високою роздільною здатністю (1-5 мкм). Звичайно проводять багатоступінчастий контроль: оглядають поверхню виробу без оптичних засобів, виявляючи великі дефекти та підозрілі місця, вивчають ці місця через лупу (однолінзовий мікроскоп), а потім досліджують окремі ділянки контрольованого виробу за допомогою багатолінзового мікроскопа, послідовно підвищуючи кратність його збільшення. При правильному виборі умов візуально-оптичного контролю розміри елементів об'єкта або мінімальних дефектів (у мм), які можна виявити, зменшуються відповідно з оптичним збільшенням пристрою:

.

Лупи призначені для оптичного контролю близько розташованих елементів зображення при невеликому збільшенні () і, як правило, при ручному контролі. Зручність роботи з ними визначається тим, що їх легко переміщати по контрольованому об'єкту, а зона огляду лупи порівняно велика.

Оскільки для луп і мікроскопів із великим збільшенням глибина різкості зменшується, проведення контролю за їх допомогою ускладнюється та вимагає більшого часу для фокусування зображення (пошуку відстані найкращого бачення).

Лупи мають різне конструктивне оформлення відповідно до варіантів їх застосування: оглядові - для контролю одночасно двома очима; налобні у вигляді збільшувальних окулярів; складні, зокрема - кишенькові, вартові, телескопічні. Оптична частина лупи може складатися з однієї лінзи або декількох скріплених між собою, що дає можливість скорегувати частину аберацій і отримати зображення хорошої якості. Лупи з малим збільшенням () використовують для пошуку дефектів і дефектних зон, а з великим () - для їх аналізу та виявлення дефектів мінімально можливих розмірів. Щоб максимально використовувати можливості лупи під час проведення візуально-оптичного контролю, її (крім великих бінокулярних луп) потрібно тримати якомога ближче до ока, оскільки в цьому разі сприймається найбільша кількість променів, що йдуть від контрольованого об'єкта, і знижується вплив відбиттів (відблисків) від сторонніх предметів і лінзи. Лупа розміщується, як правило, паралельно контрольованій поверхні, що підвищує продуктивність і достовірність візуально-оптичного контролю.

Мікроскоп є оптичним багатолінзовим пристроєм для спостереження елементів, не видимих неозброєним оком, що має регулювання оптичних властивостей. Він дає можливість отримати якісне збільшене зображення, причому збільшення може досягати 2000 разів, а лінійна просторова здатність - 0,5 мкм. Мікроскопи дозволяють проводити візуально-оптичний контроль при різних режимах освітлення та збільшення, а також за різними методиками. Лінзові системи є апланатичними, тобто для них виконується умова синусів

nко sin шко = Kув nзо sin шзо, (3.3),

де і nзо - показники заломлення середовища в просторі предметів і в просторі зображень; і шзо - апертурні кути в просторі предметів і зображень.

За допомогою мікроскопів і пристроїв, побудованих за тим самим принципом, вирішуються такі завдання неруйнівного контролю якості: вимірювання геометричних розмірів і форми малогабаритних виробів, виявлення дефектів малих розмірів (до часток мікрометра) із високою роздільною здатністю за їх просторовим розташуванням, контроль фізико-хімічних властивостей і стану матеріалів (внутрішніх положень) за їх оптичними характеристиками, контроль внутрішньої будови малогабаритних виробів або їх частин, розміщених у прозорому або напівпрозорому матеріалі.

Ендоскопом називають пристрій, забезпечений освітлювачем і оптичною системою для огляду внутрішньої поверхні об'єктів із порожнинами. Ендоскопи дозволяють здебільшого вирішувати завдання дефектоскопії та контролю будови виробів шляхом перенесення видимого зображення з недоступної зони до оператора. Порівнюючи ендоскопи з іншими пристроями, придатними для вирішення аналогічних завдань, і насамперед із малогабаритними телевізійними камерами, що розміщуються в порожнині, потрібно зазначити, що гнучкі ендоскопи мають набагато менші розміри поперечного перерізу. Це дає можливість вводити їх через дуже малі отвори об'єкта в порожнини та канали складного профілю, якщо радіус вигину при повороті ендоскопа в порожнині більше п'яти діаметрів джгута.

3.5.2 Фотометричні методи контролю

Унікальні властивості лазерного випромінювання зробили реальним застосування голографічних методів у неруйнівному контролі. Як відомо, голограма - це отримана певним чином фотопластинка з відбитими на ній інтерференційними лініями, під час висвітлення якої когерентними коливаннями формується потік світла, що створює видиме об'ємне зображення сфотографованого об'єкта. Безпосереднє використання властивостей фіксованого тривимірного зображення виробу в неруйнівному контролі має таке саме значення, як звичайна фотографія, - отримання і зберігання документа, однак така, що містить набагато більшу інформацію, оскільки зображення має об'ємність і розподіл світла, зареєстрованого з точністю до часток його довжини хвилі.