УСТРОЙСТВО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ПУТЕМ АНАЛИЗА РАССЕЯНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ
NON-DESTRUCTIVE TEST DEVICE BY MEANS OF RADIATION DISPERSION ANALYSIS

Объектом настоящего изобретения является устройство неразрушающего контроля путем анализа рассеяния излучения, когда на деталь действуют механические напряжения. Это устройство содержит средства измерения, выполненные с возможностью определения поля излучения поверхности детали. Средства измерения интегрированы в гибкую подложку, предназначенную для покрытия зоны поверхности контролируемой детали. Это устройство позволяет определить начало трещинообразования во время концентрации напряжения на поверхности детали и наличие трещины во время ее распространения. Настоящее изобретение находит применение для неразрушающего контроля (НК) деталей летательного аппарата, однако его можно использовать также во всех секторах промышленности, в которых важное место занимает контроль за целостностью работающих деталей, в таких как автомобильная промышленность, железнодорожный транспорт, судостроение или ядерная энергетика.
В рамках проектирования и сертификации, а также эксплуатации и технического обслуживания летательных аппаратов необходимо применять способы контроля, которые позволяют оценить напряжения, действующие на детали, и определить наличие повреждений в виде крупных или мелких трещин, не повреждая при этом деталей авиационной конструкции. Используемые технологии объединены под общим названием неразрушающего контроля (НК). Существует много способов НК, которые постоянно усовершенствуются, поскольку соответствующие секторы промышленности требуют повышения эффективности этих технологий НК. Секторы воздушного транспорта и гражданского строительства постоянно требуют применения все более эффективных способов НК, чтобы одновременно обеспечивать повышение безопасности и экономию затрат.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является, в частности, детектирование трещин, которые начинают образовываться в деталях, подверженных сильным и цикличным механическим нагрузкам, повторение которых по истечении определенного времени вызывает так называемое усталостное трещинообразование и может привести в разрушению детали.
Среди различных технологий НК конструкций известна технология моделируемой инфракрасной термографии для детектирования дефектов в авиационных конструкциях, основанной на детектировании барьеров термодиффузии, образованных трещинами. Эта технология состоит в быстром нагревании поверхности контролируемого материала, например, при помощи лампы-вспышки и в наблюдении поля излучения поверхности, например, при помощи инфракрасной камеры. Наличие дефекта или трещины локально проявляется на термографических снимках в виде ненормально медленного восстановления окружающей температуры в зоне детали.
На фиг.1 схематично показано устройство, основанное на применении этой технологии. Устройство содержит лазер 16, локально облучающий зону А поверхности контролируемой детали 4, и инфракрасный датчик 9, отслеживающий в зоне В, находящейся вблизи зоны А, повышения температуры в результате нагрева зоны А. На эти повышения влияют локальные характеристики зоны В и контролируемого материала вблизи нее. В частности, наличие теплового барьера, образуемого трещиной 5 внутри детали 4, влияет на диффузию тепла внутри детали за счет теплопроводности. Для получения картографии температурного поля поверхности детали 4 устройство содержит систему сканирования, состоящую из автоматически поворачивающихся зеркал 17 для направления возбуждающего падающего пучка 19 и пучка-зонда 18.
Оператор перемещает показанное на фиг.1 устройство от зоны к зоне для исследования всей поверхности контролируемой конструкции. Поэтому во время осмотра необходимо обездвижить конструкцию, например самолет на земле, и для этих операций контроля необходимо наличие квалифицированного персонала, что существенно повышает стоимость технического обслуживания для авиакомпании. Действительно, для осуществления качественного контроля и избежания ошибочного толкования полученной термографии необходимо наличие обученных и квалифицированных операторов.
Кроме того, это устройство не позволяет легко контролировать детали, имеющие относительно большую площадь, так как оператору необходимо перемещать устройство от зоны к зоне. Чтобы проконтролировать некоторые детали сложных форм или конструкции, содержащие недоступные зоны, иногда необходимо осуществлять демонтаж конструкции. В частности, трещины, которые начинают появляться, например, в отверстиях или системах крепления, можно обнаружить, только если они выходят на непосредственно доступную поверхность.
На сегодняшний день не существует средств контроля, позволяющих отслеживать состояние деталей, например авиационных деталей, в течение всего периода их использования, в частности, позволяющих производить общую диагностику состояния авиационных конструкций во время полета самолета.
Настоящее изобретение призвано предложить устройство, предназначенное для такого контроля, которое позволяет отслеживать усталостное состояние детали и характеризовать соответствие конструкции регламентным требованиям, предъявляемым к летательному аппарату на разных стадиях срока его службы.
Чтобы реализовать такое устройство, необходимо решить следующие задачи:
- располагать средством неразрушающего контроля, выполненным с возможностью легкого крепления на поверхности контролируемых деталей, одновременно имеющим массу и габариты, которыми можно пренебречь, потребляющим незначительную электрическую мощность во время своей работы и даже имеющим автономный источник питания,
- располагать средством контроля, выполненным с возможностью стационарного размещения на контролируемых деталях во время их использования для осуществления диагностического обслуживания путем максимально раннего детектирования аномалий, что позволяет производить менее затратный ремонт и обеспечивать максимальную безопасность деталей,
- располагать средством контроля, которое обеспечивает автоматическое управление операциями контроля и выдает полную диагностику состояния деталей, чтобы максимально сократить работу оператора и снизить стоимость обслуживания.
В этой связи объектом изобретения является устройство неразрушающего контроля детали в режиме реального времени путем анализа рассеяния теплового излучения, рентгеновских лучей или гамма-лучей, излучаемых поверхностью детали, когда на нее действуют механические напряжения.
Согласно изобретению, устройство содержит средства измерения, выполненные с возможностью определения поля излучения поверхности детали, при этом упомянутые средства измерения интегрированы в подложку, предназначенную для покрытия поверхности упомянутой детали.
Предпочтительно, чтобы упомянутая подложка была гибкой подложкой и могла облегать форму детали.
Упомянутые средства измерения имеют чувствительность, достаточную для определению поля повышения интенсивности излучения, вызываемого дефектами, присутствующими в детали.
Предпочтительно, чтобы измерения содержали сеть микродатчиков излучения, сгруппированных в матрицу линии-столбцы. Для преобразования излучения, принимаемого микродатчиками, в электрический сигнал каждый микродатчик содержит элемент, выполненный с возможностью преобразования принимаемого излучения в электрические заряды, при этом упомянутый элемент соединяют с устройством переноса электрических зарядов для приема электрических зарядов.
Предпочтительно также, чтобы средства детектирования и измерения содержали мембрану из термочувствительных жидких кристаллов и сеть оптоэлектронных микродатчиков, наложенную на упомянутую мембрану из термочувствительных жидких кристаллов. Сеть оптоэлектронных микродатчиков сгруппирована в матрицу линии-столбцы. Каждый оптоэлектронный микродатчик содержит светочувствительный элемент для преобразования оптических сигналов, передаваемых мембраной, в электрические сигналы, при этом упомянутый элемент соединяют с устройством переноса электрических зарядов для приема электрических зарядов.
Согласно варианту выполнения изобретения, устройство дополнительно содержит электронный интерфейс, соединяющий упомянутые средства измерения и детектирования с записывающим запоминающим устройством, при этом упомянутый электронный интерфейс и упомянутое запоминающее устройство интегрированы в гибкую подложку таким образом, чтобы предпочтительно получить монолитное устройство контроля.
Предпочтительно, чтобы устройство контроля содержало вычислительную систему, такую как микропроцессорную систему, для автоматического определения поля повышения уровня энергии излучения поверхности детали.
Предпочтительно также, чтобы вычислительная система не была интегрирована в гибкую подложку, и упомянутое устройство контроля содержало средства передачи для направления электрических сигналов, записанных в запоминающем устройстве, в упомянутую вычислительную систему при помощи проводной связи, беспроводной связи, радиосвязи или инфракрасной связи.
Предпочтительно также, чтобы вычислительная система была интегрирована в гибкую подложку и была подключена между упомянутым интерфейсом и записывающим запоминающим устройством.
Предпочтительно также, чтобы вычислительная система содержала запоминающее устройство, содержащее, по меньшей мере, одну картографическую характеристику контрольного поля излучения поверхности детали или деталей, средства вычисления, преобразующие электрические сигналы, принятые упомянутой вычислительной системой, в поле излучения, и средства анализа упомянутого поля излучения по отношению к контрольному полю излучения.
Средства анализа содержат средства дифференциального анализа для определения дифференциального поля излучения между упомянутым контрольным полем излучения и измеренным полем излучения.
Предпочтительно, чтобы средства дифференциального анализа содержали средства генерирования сигнала состояния S, характеризующегося тем, что упомянутое дифференциальное поле излучения превышает пороговое значение.
Средства анализа содержат средства спектрального анализа для определения данных, связанных с дефектами, присутствующими в детали.
Предпочтительно, чтобы сигнал состояния S и данные либо передавались упомянутой вычислительной системой в средства тревожной сигнализации, либо записывались в упомянутое записывающее запоминающее устройство, соединенное с упомянутой вычислительной системой, затем передавались в средства тревожной сигнализации при помощи проводной связи, беспроводной связи, радиосвязи или инфракрасной связи.
Средства тревожной сигнализации содержат, например, средства отображения и световые или звуковые индикаторы.
Предпочтительно, чтобы упомянутые микродатчики были непосредственно интегрированы в слой покрытия, предназначенный для покрытия поверхности контролируемой детали.
Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, приведенного со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 изображает схематичный вид термографического устройства из предшествующего уровня техники;
фиг.2 - схематичный вид в разрезе устройства согласно варианту осуществления изобретения;
фиг.3 - схематичный вид в разрезе устройства согласно другому варианту осуществления изобретения;
фиг.4 - схематичный частичный вид сверху в разрезе устройства контроля;
фиг.5 - схематичный вид устройства контроля, показанного на фиг.4, в рабочем положении передачи электрических сигналов в удаленную вычислительную систему;
фиг.6 - схематичный вид сети устройств контроля, расположенных на поверхности конструкций самолета на земле в положении передачи сигналов, записанных во время полета самолета.
Во время разрушения детали различают три фазы. Сначала дефекты образуются диффузно в зонах, подвергающихся в большей мере механическим напряжениям или деформациям, действующим на деталь. На втором этапе эти дефекты развиваются или сливаются, и появляется макроскопическая трещина, которая на третьем этапе распространяется и приводит к разрыву детали. Эти три фазы сопровождаются тепловым рассеянием. Рассеиваемая тепловая энергия пропорциональна концентрации напряжения. Тепловое рассеяние проявляется больше в зонах наибольших механических нагрузок. Кроме того, когда материал растрескивается, начало трещинообразования выражается локальным повышением температуры. Таким образом, фронты трещин образуют горячие точки. Разработав картографию температурного поля поверхности детали и применяя соответствующие средства анализа, можно локализовать зоны температурного повышения, характеризующего рассеиваемую тепловую энергию.
На фиг.2 и 3 показаны два варианта выполнения устройства 1 контроля детали в реальном режиме времени путем анализа рассеяния излучения, когда она подвергается механическим нагрузкам. Оно содержит средства измерения, выполненные с возможностью определения поля излучения поверхности детали, при этом упомянутые средства интегрированы в гибкую подложку 2. Гибкая подложка 2 выполнена, например, из пластического материала, позволяющего закрепить устройство 1 контроля на поверхности контролируемой детали, следуя форме детали. Гибкую подложку устройства 1 контроля крепят на поверхности контролируемой конструкции при помощи адгезивного материала. Предпочтительно это устройство имеет ограниченный размер, чтобы его можно было закрепить в критической зоне детали, где могут появиться трещины. На самолете устройство можно расположить в зонах, которые считаются критическими и находятся, например, на уровне элементов узлов подвески, на уровне элементов соединения панелей и зон с высокой концентрацией напряжений.
Как правило, излучение, рассеиваемое деталью, может быть инфракрасным, рентгеновским или гамма-излучением.
Предпочтительно устройство 1 контроля выполнено с возможностью нанесения на него поверхностного слоя 8 покрытия, который может быть, например, слоем краски, нанесенным на устройство 1 контроля.
На фиг.2 показан первый вариант выполнения средств измерения, содержащих сеть микродатчиков 3 излучения, которые интегрированы в гибкую подложку 2, закрепленную на поверхности контролируемой детали 4. Каждый микродатчик излучения выполнен с возможностью преобразования потока излучения, которое может быть инфракрасным, или рентгеновским излучением, или гамма-излучением, излучаемым деталью 4, в электрические сигналы при помощи элемента, преобразующего энергию излучения в электрический заряд. Каждый элемент соединен с устройством переноса заряда, функцией которого является удаление электрического заряда. Таким образом, зарядом генерируется электрический сигнал, характеризующий энергию излучения, принимаемого элементом.
На фиг.3 показан второй вариант выполнения средств измерения, содержащих мембрану 7 из термочувствительных жидких кристаллов и сеть оптоэлектронных микродатчиков 6, наложенную на мембрану 7 из термочувствительных жидких кристаллов. Мембрана из термочувствительных жидких кристаллов содержит жидкие кристаллы, расположенные между двумя пластическими поверхностями. Структура этих жидких кристаллов изменяется в зависимости от воспринимаемой тепловой энергии, что выражается в изменении спектрального состава волн, отражаемых различными плоскостями жидких кристаллов, вследствие чего изменяется цвет на поверхности жидкокристаллической мембраны 7.
Для детектирования этого изменения цвета в зависимости от уровня энергии излучения на эту мембрану накладывают сеть оптоэлектронных микродатчиков. Каждый оптоэлектронный микродатчик выполнен с возможностью преобразования светового излучения, излучаемого жидкокристаллической мембраной, в электрические заряды при помощи светочувствительного элемента, который преобразует световую энергию в электрический заряд. Каждый элемент соединяют с устройством переноса заряда, предназначенным для удаления электрического заряда. Таким образом, заряд генерирует электрический сигнал, характеризующий энергию излучения, принимаемого элементом.
На фиг.4 схематично показан вид сверху устройства контроля согласно описанным выше вариантам выполнения. Согласно частному варианту осуществления изобретения, устройство имеет по существу прямоугольную форму и содержит в данном случае сеть из 56 микродатчиков излучения или оптоэлектронных микродатчиков, сгруппированных в матрицу линий и столбцов. Кроме того, устройство содержит электронный интерфейс 10, соединяющий сеть микродатчиков 3, 6 с записывающим запоминающим устройством 11. Электронный интерфейс 10 и запоминающее устройство 11 тоже интегрированы в гибкую подложку 2 таким образом, чтобы при этом можно было получить монолитное устройство контроля.
Электрические заряды, собираемые устройствами переноса заряда каждого микродатчика, передаются на электронный интерфейс 10, который содержит, например, усилитель для повышения мощности сигнала, чтобы улучшить отношение сигнала к помехе, а также аналого-цифровой преобразователь для преобразования принятых аналоговых электрических сигналов в цифровые сигналы.
После этого усиленные сигналы направляются в записывающее запоминающее устройство 11. Электронный интерфейс 10 расположен на конце линий микродатчиков в варианте выполнения устройства, показанном на фиг.4. В другом варианте выполнения электронный интерфейс 10 может быть расположен на конце столбцов микродатчиков.
Организация микродатчиков в матрице линий и столбцов позволяет получить картографию поля излучения таким образом, чтобы дефект детали можно было локализовать на поверхности детали.
Для точной локализации дефектов шаг между микродатчиками устанавливают в значении, меньшем минимальных размеров детектируемых дефектов, таким образом, чтобы можно было выделить положение дефектов и чтобы в случае локального повреждения сети микродатчиков микродатчики, находящиеся вокруг поврежденной зоны сети, могли позволять отслеживать зоны, максимально близкие к дефекту, который может появиться в отслеживаемой зоне.
В частном варианте осуществления изобретения режим передачи электрических сигналов от микродатчиков 3, 6 на электронный интерфейс 10 является режимом межлинейной передачи. Над каждой линией микродатчиков расположена линия 23 накопления. Сигналы временно накапливаются в этой линии 23 накопления. Содержимое линий накопления передается затем на электронный интерфейс 10 в параллельном режиме. Затем электрические сигналы последовательно направляются в записывающее запоминающее устройство 11.
В варианте режима передачи электрических сигналов происходит обращение непосредственно к каждому микродатчику для передачи электрических сигналов на электронный интерфейс 10.
Для автоматической обработки электрических сигналов, измеренных микродатчиками, устройство контроля дополнительно содержит вычислительную систему 13 для преобразования электрических сигналов в сигнал, характеризующий энергию излучения, рассеиваемую поверхностью детали, и для определения поля излучения детали. Вычислительная система является, например, микропроцессорной системой.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.4, вычислительная система не интегрирована в гибкую подложку 2, и устройство содержит средства передачи 12 для направления электрических сигналов, записанных в запоминающем устройстве 11, в вычислительную систему 13 с использованием беспроводной связи, радиосвязи или инфракрасной связи. Эти средства передачи содержат, например, приемопередатчик, интегрированный в гибкую подложку, который предпочтительно работает на фиксированной частоте, при этом упомянутую частоту выбирают таким образом, чтобы передача электрических сигналов, характеризующих рассеяние энергии излучения поверхности детали, не мешала передаче других данных другими устройствами, отличными от устройства 1 контроля.
Средства 12 передачи для направления электрических сигналов, записанных в запоминающем устройстве 11, в вычислительную систему 13 могут также использовать проводную связь.
Электрический сигнал, поступивший в вычислительную систему 13, преобразуется в сигнал, характеризующий энергию излучения, рассеиваемую поверхностью детали, при помощи средств вычисления, которые содержат соответствующую теоретическую модель, связывающую энергию с электрическим зарядом. Эти средства вычисления генерируют картографии поля излучения, которые могут быть картографиями спектральной характеристики. Эти данные, характеризующее энергию, рассеиваемую деталью, направляются затем в средства анализа.
Средства анализа содержат средства дифференциального анализа для осуществления сравнительного исследования по амплитуде между полем излучения, измеренным сетью микродатчиков, и контрольным полем излучения. Предпочтительно эти средства дифференциального анализа позволяют получить картографию поля повышения уровня энергии излучения поверхности детали. Для этого вычислительная система содержит запоминающее устройство, в котором записана база данных картографий эталонного поля излучения детали. Эти эталонные картографии образуют заранее определенную модель сравнения относительно поведения зоны, покрываемой устройством контроля. Эти эталонные картографии могут быть заранее определены на эталонной детали. Под эталонной деталью следует понимать деталь, которая изначально не содержит дефектов, например деталь на выходе производственной линии, прошедшая все этапы сертификации. Их можно также заранее определить моделированием. В процессе сравнения по амплитуде средствами анализа эталонного поля излучения и поля излучения, измеренного микродатчиками, в случае, когда разностное значение между эталонным полем и измеренным полем превышает пороговое значение, средства анализа генерируют сигнал состояния S.
Предпочтительно средства анализа содержат средства спектрального анализа, которые определяют спектральную характеристику измеренного поля излучения для определения данных, связанных с дефектами, присутствующими в детали. В частности, спектральный анализ позволяет определить характер дефекта и его размер.
В рамках контроля конструкций в режиме реального времени устройство контроля можно, например, запрограммировать таким образом, чтобы активировать его, когда самолет уже не находится на земле, и оно после этого осуществляет измерения через равномерные промежутки времени, например каждые 5 минут, в течение определенного периода, чтобы осуществлять измерения в зависимости от времени. Таким образом, устройство контроля позволяет получить картографию наблюдаемой зоны в функции времени, чтобы установить изменение поля излучения, излучаемого деталью.
Измерения в функции от времени позволяют, в частности, осуществлять анализ временного изменения контраста уровня энергии, на основании которого можно идентифицировать глубину дефекта, являющегося причиной этого контраста.
Сигнал состояния, а также все данные, такие как характер дефектов, размер дефектов и место нахождения дефектов, передаются вычислительной системой на средства 14 тревожной сигнализации, которые содержат, например, дисплей 22 для отображения данных и световые и/или звуковые индикаторы 20 для оповещения оператора, занимающегося обслуживанием.
Пример передачи сигналов представлен на фиг.6, где схематично показана сеть устройств 1 контроля, расположенных на поверхности конструкций самолета 15. Этот самолет находится на земле, и сеть устройств 1 контроля находится в состоянии передачи сигналов, записанных во время полета самолета, в вычислительную систему 13, которая соединена со средствами 14 тревожной сигнализации, содержащими в данном примере, например, компьютер с дисплеем 22 и звуковыми индикаторами 20.
Предпочтительно вычислительная система направляет поле повышения уровня энергии излучения контролируемой детали на средства отображения в виде изображения, кодированного цветовой гаммой, что позволяет оператору быстро локализовать зоны повышения уровня энергии излучения, которые могут свидетельствовать о наличии дефектов.
Передачу электрических сигналов, записанных в запоминающем устройстве 11, в вычислительную систему можно запрограммировать таким образом, чтобы она производилась автоматически, например, в конце полета самолета. Эта передача может быть также активирована в ручном режиме оператором путем обращения к устройству контроля во время осмотра самолета.
В другом варианте осуществления изобретения вычислительная система 13 интегрирована непосредственно в гибкую подложку 2 и подсоединена между электронным интерфейсом 10 и записывающим запоминающим устройством 11. В этом варианте выполнения вычислительная система 13 напрямую принимает электрические сигналы от электронного интерфейса 10 и направляет в записывающее запоминающее устройство 11 только сигнал состояния и данные о дефектах. Во время технического осмотра, обращаясь к устройству, оператор переправляет сигналы состояния и данные, записанные в запоминающем устройстве устройства контроля, в средства 14 сигнализации, используя проводную связь, беспроводную связь, радиосвязь или инфракрасную связь.
2
3
Все компоненты, интегрированные в гибкую подложку, выполнены по технологии микроскопического изготовления на твердой подложке, транспонированной в данном случае на пластическую подложку. Однако температура, используемая по время процесса изготовления, может разрушить пластическую подложку. Согласно одному из предлагаемых в настоящее время решений, сначала выполняют компоненты на твердой подложке, нанесенной на стекло. Твердую подложку выполняют, например, из кремния, глинозема AlO. Другой слой стекла, выполняющий функцию защиты, крепят на компонентах при помощи растворимого адгезива, после чего твердую подложку извлекают из наслоения путем лазерной абляции. Затем компоненты накладывают на пластическую подложку и крепят на ней при помощи постоянного адгезива, а защитное стекло удаляют.
Согласно еще одному варианту, устройство контроля выполняют в виде тонкой пленки, которая имеет толщину порядка 50 мкм и поверхность со сторонами порядка 10×10 см, в которую интегрируют микродатчики размером порядка сотни микрон и с шагом порядка десятка микрон.
Изобретение представлено в рамках контроля конструкций летательных аппаратов, однако его можно применять для любой конструкции, используемой в промышленных секторах, где необходимо контролировать целостность работающих деталей, например в областях, таких как автомобильная промышленность, железнодорожный транспорт, судостроение или ядерная энергетика.