Способ ик-дефектоскопии

 

Изобретение относится к бесконтактным способам контроля дефектов и теплофизических параметров материалов. Способ заключается в регистрации фотоприемником, синхронно и независимо от одной и той же зоны объекта, имеющего температуру в диапазоне 400 - 600 К, в двух спектральных диапазонах 2 - 5 мкм и 8 - 14 мкм фотосигналов и скорости их изменения, вызванных ИК-излучением из нагретой коротким импульсом лазера точечной зоны объекта, и определении теплофизических параметров и глубины залегания дефектов путем деления отношения скорости изменения к сигналу одного спектрального диапазона на отношение скорости изменения к сигналу другого спектрального диапазона. Для этого используется двухспектральный ИК-фотоприемник типа сэндвич, чувствительные элементы которого имеют идентичные пространственно-частотные характеристики. Способ устраняет влияние излучательной способности объекта на результаты измерений и дает возможность повысить инструментальную точность за счет исключения аппаратных функций обоих спектральных диапазонов. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к неразрушающему контролю качества материалов, и может быть использовано при разработке и производстве изделий электронной техники.

Известен способ определения коэффициента темпеpатуропроводности материала [1] заключающийся в подаче теплового импульса на поверхность исследуемого объекта, последующем измерении температуры в двух его точках и определении температуропроводности расчетным путем. Для повышения точности измерения производят измерение температуры в дополнительной точке, расположенной между основными.

Недостатки этого способа: область применения способа ограничена, так как неизбежны большие погрешности при измерении объектов неправильной формы из-за необходимости контактирования термодатчиков с объектом; низкая чувствительность способа к пространственным колебаниям коэффициента температуропроводности, так как измеряется усредненная величина температуропроводности по объекту между точками установления термодатчиков.

Известен способ контроля качества паяных соединений и устройство для его осуществления [2] Способ заключается в измерении скорости нагрева и охлаждения соединения при импульсном воздействии лазерного излучения и сравнении тепловых характеристик исследуемого соединения с эталонным, что позволяет обнаружить непропай, пустоты, трещины и отслаивание металлизации.

Устройство для осуществления способа содержит лазер, ИК-датчик и систему автоматического сканирования в соответствии с программой.

Указанные способ и устройство характеризуется низкой точностью. Введение операции сравнения с эталоном не устраняет этот недостаток, так как невозможно создать два идентичных образца, особенно в условиях производства паяных соединений с одинаковым распределением теплофизческих характеристик. Кроме того измеряемое среднее значение скорости охлаждения не дает возможности оценить глубину залегания дефекта.

Наиболее близким к предлагаемому является способ импульсной видеотермографии [3] в котором материалу сообщается тепловой импульс и в случае наличия дефектов в объекте (поры, включения и т.п.) на его поверхности возникнут соответствующие изменения температуры. Устройство, осуществляющее описанный способ, содержит источник теплового импульса, например лазер, нагревающий исследуемый объект; ИК-фотоприемник и устройство видеозаписи теплового изображения поверхности объекта. Покадровое воспроизведение видеозаписи позволяет обнаружить имеющиеся дефекты.

Недостатки этого способа: область применения способа ограничена, так как он не позволяет исследовать дефекты в объектах с неизвестными и неоднородными теплофизическими параметрами и излучательной способностью; способ не дает возможности определить теплофизические параметры исследуемых объектов, так как фотосигнал одного спектрального диапазона является сложной функцией по меньшей мере четырех параметров температуропроводности, теплопроводности, глубины залегания дефектов и излучательной способности объекта, три из которых должны быть известны, например, для определения глубины залегания дефекта.

Цель изобретения повышение чувствительности и информативности контроля дефектов и теплофизических параметров материалов.

Цель достигается тем, что в известном способе ИК-дефектоскопии, заключающемся в подаче на объект теплового импульса от источника тепловых импульсов, регистрации фотоприемником скорости изменения фотосигнала и определения параметров дефектов, регистрируют синхронно и независимо фотосигналы I₁, I₂ и скорости их изменения (dI₁/dτ), (dI₂/d τ) в двух спектральных диапазонах 2-5 мкм и 8-14 мкм от одной и той же зоны объекта, имеющего температуру в диапазоне 400-600 К, а теплофизические параметры и глубину залегания дефектов определяют путем деления отношения (dI₁/dτ)/I₁ одного спектрального диапазона на (dI₂/dτ)/I₂ другого спектрального диапазона, при этом для регистрации используют двухспектральный фотоприемник типа сэндвич, с чувствительными элементами, имеющими идентичные пространственно-частотные характеристики.

Сущность предложенного способа заключается в том, что указанные выше четыре измеренные величины позволяют устранить влияние излучательной способности поверхности объекта в том и другом спектральном диапазонах и определить два неизвестных параметра глубину залегания подповерхностных дефектов и температуропроводность материала объекта. Для этого рабочий диапазона температур объектов выбран равным 400-600 К, в котором для диапазонов 2-5 мкм и 8-14 мкм справедливы соответственно законы Вина и Релея-Джинса, что дает возможность получить в аналитическом виде выражения для четырех измеренных величин I_i и (dI_i/d τ) и произвести с ними необходимые математические операции для определения искомых параметров объекта. Способ дает возможность повысить инструментальную точность за счет исключения аппаратных функций обоих спектральных диапазонов.

Отметим особенность "сэндвич" ИК-фотоприемника, имеющего указанные спектральные диапазоны. Известно, что S₂ (8-14 мкм)/S₁ (2-5 мкм) ≈ 2,0 и [dW_λ/dT (8-14 мкм)]/[dW_λ/dT (2-5 мкм)] ≈ 10, например, для Т 330 К. Отсюда (dI₂/dτ)/(dI₁/dτ) ≈ 20. Поэтому, осуществляя предложенный способ с двухспектральным фотоприемником, получают два диапазона чувствительности: "Тонко" (8-14 мкм), чувствительного к слабым изменениям ΔТ, т.е. к мелким неоднородностям и дефектам на малой глубине от поверхности объекта: "Грубо" (2-5 мкм), чувствительного к большим изменениям ΔТ, т.е. только к средним неоднородностям и дефектам на средних глубинах.

На фиг.1 дана схема устройства для ИК-дефектоскопии, где приняты обозначения: объект 1, лазер 2, двухспектральный ИК-фотоприемник 3, система 4 сканирования, фокусирующая система 5, дифференциаторы 6, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 7, блок 8 накопления и отображения информации (БНО), ЭВМ 9, видеоконтрольное устройство (ВКУ) 10; на фиг.2 схема двухспектрального ИК-фотоприемника типа сэндвич, где обозначены: элемент 11 чувствительный в спектральном диапазоне 2-5 мкм. элемента 12, чувствительный в спектральном диапазоне 8-14 мкм; корпус структуры 13, диафрагма 14, электрические выводы 15.

Для пояснения сущности изобретения выведем ряд математических соотношений и подробно рассмотрим физические процессы, происходящие при осуществлении способа.

Допустим, на исследуемый непрозрачный объект (например, металлическая пленка на поверхности диэлектрика) подается короткий (примерно 10^-9 с) импульс сфокусированного лазерного излучения, который приводит к нагреву локальной зоны на поверхности объекта до температуры Т (у 0, τ 0).

Изменение температуры нагретой поверхности объекта, который имеет поверхностный слой толщиной а или глубиной d, залегает дефект, описываемый зависимостью: T(y= 0, τ) t+ 1-h(-h)^n-1·2·exp- , (1) где τ- время; Q (Дж/см²) сила мгновенного источника тепла, действующего на поверхности в результате нагрева излучением лазера; а₁ g₁/q₁ρ₁ температуропроводность; g₁ коэффициент теплопроводности; q₁- удельная теплоемкость; ρ₁ плотность поверхностного слоя объекта; h (1 K_e)/(1 + K_e); K_e e₁/e₂; e₁ (g₁q₁ρ₁)^1/2; e₂ (g₂q₂ρ₂)^1/2. Соответствующие величины с индексами 2 относятся к дефекту; t температура объекта до воздействия излучением лазера.

Если тепловое излучение ИК-диапазона от нагретой области, преобразуемой оптической системой, регистрируется фотоприемником, выполненным в виде двухспектральной "сэндвич"-структуры, элементы которой чувствительны в спектральных диапазонах Δλ₁ и Δλ₂, то выражения для фотосигналов на выходе элементов запишутся в виде: I₁= S₁(λ)ε_λW_λdλ (2) I₂= S₂(λ)τ₁(λ)ε_λW_λdλ где А_о апертура оптической системы; γ угловой размер чувствительного элемента; Δλ_i λ_is λ_ic спектральный диапазон чувствительности i-го элемента по уровню 0,1 от S_imaх; S_imax спектральная токовая чувствительность i-го элемента на длине волны, соответствующей максимуму чувствительности квантового фотоприемника; S_i(λ) спектральная токовая чувствительность i-го элемента на длине волны λ в диапазоне Δλ_i; τ₁(λ) спектральный коэффициент пропускания верхнего элемента в диапазоне Δλ нижнего элемента; W_λ спектральная плотность потока излучения АЧТ (формула Планка).

Особенность двухспектральных фотоприемников типа сэндвич заключается в том, что поток излучения от локально нагретой области объекта при прохождении через элементы сепарируется ими синхронно по спектральным диапазонам, они имеют идентичные пространственно-частотные характеристики и не требуется дополнительных оптических элементов для расщепления излучения, как это имеет место в двухспектральных фотоприемниках, элементы которых расположены в одной плоскости.

Скорости изменения сигналов, обусловленные изменением температуры (dT/dτ) на поверхности объекта, получают, дифференцируя соотношения (2) S₁(λ)dλ (3) S₂(λ)ε_λτ₁(λ)dλ Воспользуемся известной особенностью классической формулы Планка, которая заключается в том, что в области коротких длин волн, при условии λT ≅ 3 ˙ 10³ мкм град, с точностью не выше 1% она может быть заменена уравнением Вина W_λ (λ₁T) C₁ λ^-5 exp(-C₂/λT), где С₁ 3,7415.10⁴ Вт ˙ мкм⁴/см², С₂ 1,4388 ˙ 10⁴ мкм, К константы. В области длинных волн при условии (λТ/C₂) >> 1 формулу Планка можно заменить уравнением Рэлея-Джинса W_λ(λ₁T) (C₁/C₂) λ⁴T. Оценки показывают, что для Δ λ₁ 2-5 мкм, точнее для крайней длины волны λ= 5 км, закон Вина справедлив при Т ≅ 600 К, а для Δ λ₂ 8-14 мкм, вернее для нижней длины волны λ= 8 мкм, закон Рэлея-Джинса справедлив при T ≥ 500 К. То есть существует диапазон температур объектов 500 К ≅ Т ≅ 600 К, а для практических целей этот диапазон можно расширить до 400 К ≅ T ≅ 600 К, в котором выражения (2) и (3) существенно упрощаются и I_i, как и (dI_i/dτ), выражаются аналитически I₁= M_λC + 3 + 6 + 6xexp- + 3 + 6 + 6xexp- M_λC₁ε₁Ω I₂= N_λC₁ε₂x
M_λ= S_{1 max} K₁(λ)dλ (4)
N_λ= S_{2 max} K₂(λ)τ₁(λ)dλ
x
В соотношениях (4) M и N эффективные величины, в которые входят известные аппаратные функции оптической системы и фотоприемника, а К_i(λ) относительные спектральные характеристики элементов. Кроме того ε₁ и ε₂ представляют эффективные излучательные способности поверхности объекта в соответствующих спектральных диапазонах ε₁= dλ и ε₂= dλ.

Аналогично упрощаются соотношения (3)
M_λC₁ε₁ +4 +12 +24 + 24x
× exp- - +4 +12 +24 +24xexp- =
M_λC₁ε₁ (5)
N_λC
В соотношении (4) для I₁ можно пренебречь последним членом в квадратных скобках, так же как и последним членом в соотношении (5) для (dI₁/dτ), что составит не более 1,5% относительной ошибки. Введение эффективных величин ε₁ и ε₂, также как учет коэффициента излучательной способности с погрешностью ± 1% невозможен даже при метрологических работах. И обычно 10%-ная точность определения коэффициента излучательной способности, например, в оптической пирометрии, считается удовлетворительной.

В соотношения (4) и (5) вводят четыре неизвестные величины ε₁, ε₂, Т и (dT/dτ ). Две из них, ε₁ и ε₂, исключают, беря отношения
η (6)
μ (7)
Из выражений (6) и (7) видно, что отношение
η / μ f (x, λ_i) (8) зависит только от одной неизвестной величины Т (у 0, τ), которая может быть найдена с использованием ЭВМ, одним из известных методом решения нелинейных трансцендентных уравнений по экспери- ментальным значениям ( ΔI₁/Δ τ), (ΔI₂/Δ τ) и I₁(τ), I₂(τ ), измеренным в момент времени τ, равный Δ τ/2.

Оценки показали, что, например, для медной пленки толщиной а 3 мкм на текстолитовой подложке, если измерения проводятся при τ ≈ 10^-7с, то в (1) можно, с погрешностью не выше примерно 2% ограничиться первым членом разложения n 1,
T ≈ t + 1-2h exp- (9)
Аналогично для производной
≈ ≈ 1-2h1- exp- (10)
В рассмотренном примере (наибольшее расхождение по е₁ и е₂) параметр h ≈ 0,955, то есть для широкого класса объектов можно положить h 1, либо достаточно провести грубую оценку, параметра h, если имеются какие-нибудь косвенные данные об исследуемом объекте.

Из отношения
(11) подставляя в него найденное по соотношению (8) значение Т, определяют величину (dT/d τ) и, таким образом, имеют два уравнения (9) и (10), из которых находят два искомых параметра d и a₁, например, при известном g₁.

Способ осуществляют следующим образом.

Полученные фотосигналы по указанным спектральным диапазонам поступают в дифференциаторы 6 (фиг.1) и через АЦП 7 в БНО 8 и одновременно обрабатываются в ЭВМ 9. На дисплее ВКУ 10 получают изображение распределения дефектов по глубине залегания d либо распределение параметра а₁ по поверхности объекта.

Таким образом, используя предлагаемый способ, можно проводить анализ, например, твердых растворов переменного состава, включающих разнородные металлы либо включения второй фазы.

Предлагаемый способ имеет следующие преимущества. Регистрация фотосигналов и их производных в нескольких спектральных диапазонах увеличивает степень свободы способа, т.е. увеличивает тем самым информативность, позволяя производить желаемую корреляционную обработку измеренных величин, которые к тому же принимаются синхронно и независимо по двум каналам из одной и той же локальной области объекта, что существенно упрощает его осуществление, так как устраняется сканирование по чувствительным элементам, необходимое при приеме теплового излучения, чувствительные элементы которых расположены в одной плоскости, а также устраняет необходимую в таких системах синхронизирующую электродную обработку сигналов. Кроме того, устраняется влияние излучательной способности поверхности реальных объектов на результаты измерений, а также повышается инструментальная точность за счет исключения аппаратных функций спектральных каналов.

Формула изобретения

СПОСОБ ИК-ДЕФЕКТОСКОПИИ, заключающийся в подаче на объект теплового импульса от источника тепловых импульсов, регистрации фотоприемником скорости изменения фотосигнала и определении параметров дефектов, отличающийся тем, что регистрируют синхронно и независимо фотосигналы I₁ и I₂ и скорости их изменения dI₁/dτ и dI₂/dτ в двух спектральных диапазонах 2 5 и 8 14 мкм от одной и той же зоны объекта, имеющего температуру 400 600 К, а теплофизические параметры и глубину залегания дефектов определяют путем деления отношения (dI₁/dτ)/I₁ одного спектрального диапазона на (dI₂/dτ)/I₂ другого спектрального диапазона, при этом для регистрации используют двухспектральный фотоприемник типа "сэндвич" с чувствительными элементами, имеющими идентичные пространственно-частотные характеристики.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2