Физические основы применения оптоэлектронного метода с использованием световодов для контроля качественных параметров металлических поверхностей

УДК 620:191.33:681.17

О.К. Ушаков, Н.Р. Рахимов, Т.В. Ларина, Е.Ю. Кутенкова, В.А. Плиско СГГ А, Новосибирск

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ОПТОЭЛЕКТРОННОГО МЕТОДА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СВЕТОВОДОВ ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

В статье рассмотрен один из импульсных методов волоконной оптики метод рефлектометрии или метод обратного рассеяния для контроля качественных параметров металлических поверхностей.

O.K. Ushakov, N.R. Rakhimov, T.V. Larina, Ye.Yu. Kutenkova, V.A. Plisko SSGA, Novosibirsk

PHYSICAL PRINCIPLES OF OPTOELECTRONIC METHOD APPLICATION WITH LIGHT DIODES USED FOR THE CONTROL OF METAL SURFACES QUALITATIVE PARAMETERS

The article deals with one of the pulse methods of fiber optics, i.e. scatterometry or backscattering for metal surfaces qualitative parameters control.

За последние годы при регистрации неоднородностей в радиоэлектронике сложилось новое научное направление - исследование объектов с помощью импульсных воздействий пико - или наносекундной длительности, называемое время импульсной технологией. При этом исследуемые объекты могут относиться не только к радиоэлектронике, но и к физике, химии, биологии и другим областям науки и техники.

Импульсный метод, основанный на анализе реакции исследуемого объекта на зондирующим (измерительный) импульс, имеет ценные особенности. Спектр пикосекундного сигнала исключительно широк (от нуля до нескольких десятков гигагерц), поэтому его воздействие вызывает возбуждение практически всех возможных типов собственных колебаний исследуемого объекта. Короткий зондирующий сигнал локализуется на малом участке объекта, что позволяет получить временные и частотные характеристики не только целого объекта, но и элементов его внутренней структуры, причем их отклики получаются развернутыми во времени.

Широкое использование время - импульсных методов исследования стало возможным после создания автоматизированных систем проведения экспериментов и измерений, созданных на основе пикосекундных импульсных генераторов, стробоскопических осциллографов и ЭВМ или встроенных измерительную аппаратуру средств вычислительной техники.

В отечественной и зарубежной периодической печати за последние годы появилось много публикаций, посвященных разным аспектам теории импульсных методов исследования объектов, разработке соответствующей аппаратуры и её разнообразным практическим применениям.

Оптический диапазон в последнее время привлекает все более широкое внимание в связи с возможностью передачи больших объемов информации при малых потерях, высокой помехоустойчивости и скрытности передачи. Мощным стимулом развития приборов и систем оптического диапазона является наличие высококогерентных, монохроматических источников оптического излучения -лазеров. Большие возможности лазеров проявляются в импульсном режиме работы. Кроме того, именно развитие лазерной техники позволяет получать световые импульсы длительностью в доли пикосекунды, что недостижимо другими известными способами.

В настоящее время импульсные измерительные системы оптического диапазона используются для исследования волоконных линий передачи, для измерений расстояний в космосе и атмосфере, исследования атомов и молекул и при решении других задач науки и техники.

При измерениях импульсным методом в волоконной оптике наибольшее распространение получил метод рефлектометрии или метод обратного рассеяния. Этот метод состоит в том, что в световод вводится мощный короткий импульс излучения и затем на том же конце регистрируется излучение, рассеянное в обратном направлении на различных неоднородностях (дефекты, нерегулярности границы сердцевины и оболочки и т.д.), по интенсивности которого можно судить о потерях.

Достоинство метода заключается в том, что он является неразрушающим, приборы подключаются на одном конце световода, что особенно удобно при измерениях в уже проложенном кабеле, трудоемкость проведения измерений невелика.

Метод обратного рассеяния позволяет решить следующие задачи:

- Определение неоднородностей волоконно-оптического тракта (здесь используется свойство импульсных сигналов быть локализованными по координате при распространении в направляющем тракте);

- Измерение дисперсионных искажений волоконных линий, их спектральных характеристик.

Предлагаемый авторами оптоэлектронный метод мониторинга поверхностей представляется перспективным в отношении простоты, удобства, технологичности и быстроты. К настоящему времени авторами разработан ряд оптоэлектронных приборов для неразрушающего контроля различных веществ и материалов [1].

В данном методе применяется принцип сравнения качественных параметров исследуемого объекта с эталоном, в роли которого могут применяться образцовые стандартизованные меры шероховатости и дефектности.

Основной измеряемой оптической характеристикой при данном методе выступает интенсивность отраженного светового потока от поверхности контролируемого объекта (КО), которая сравнивается с величиной аналогичной характеристики эталона. При этом измеряемой электрической характеристикой выступает сила тока или напряжение на фотоприемнике.

При исследовании цветности определяющей выступает четкость спектра излучения светоизлучающего диода (СИД) и монохроматическая чувствительность приемника оптического излучения (ПОИ), для других параметров - интегральная чувствительность ПОИ.

Контроль цветовых параметров на основе XYZ системы может осуществляться тремя способами. Первый - это визуальное сопоставление измеряемого цвета с эталонным. Эталон выбирается из заранее составленного цветового атласа или компьютерным программированием каждого из цветов. Второй - это спектрофотометрирование, наблюдаемого излучения и расчет координат X, Y, Z. Третий - это непосредственное измерение координат X, Y, Z при использовании трех эталонных приемников оптического излучения, спектральные функции, чувствительности которых в точности соответствуют кривым Yx Yy Yz. Этот способ, несомненно, является наиболее перспективным, так как он удовлетворяет требованиям технологического процесса.

Для разработки по этому способу устройство должно выполнить следующие операции:

- Выделение анализирующего излучения на трех длинах волн (красный, зеленый и синий);

- Прием отражающих через контролируемый объект потоков излучения и преобразование их в фотоэлектрический сигнал;

- Обработка и сравнение фотоэлектрического сигнала.

Назначение каждой из трех оптопар поясняется следующим образом: контролируемая поверхность облучается двумя световыми потоками с длинами волн А,1 и Л-2, один из которых является измерительным излучением, а другой -компенсационным.

Пусть на контролируемую поверхность падает световой поток ФОл. Освещенный слой разделит упавший на него световой поток на три части:

Фал - отраженный от поверхности и попадающий на приемник оптического излучения, из которой пришел и падающий поток;

Ф/2 - отраженный от поверхности и не падающий на приемник оптического излучения;

Фаз - поглощенный поток, который в веществе слоя превратится в теплоту или другую форму энергии.

В соответствии с законом сохранении энергии сумма световых потоков равна падающему потоку:

Ф01 = Фа1 + ФЯ2 + Фаз

или

Фя1 Фяг Фяз _ ^

Фоя Фоя Фоя

Для окрашенных веществ эти коэффициенты зависят от спектрального состава падающего излучения. Для монохроматического излучения с определенной длиной волны (как спектр излучения светоизлучающего диода), их обозначить р(Х), х(Х) и а(Х).

_ 1 Я + — 8Х

Спектральную зависимость этих коэффициентов удобно изображать графически. Предлагаемое устройство обладает повышенной точностью распознавания цвета за счет трех оптопар, которые контролируют три цветовых параметра, соответствующие параметрам X, У, Ъ.

Устройство обладает повышенной точностью контроля за счет трехмерного измерения с длинами волн = 680 нм, Х2 = 560нм, А,3 = 450 нм, когда в качестве эталонных приемников оптического излучения применены многоцветные фоторезисторы.

При необходимости сигнал с выхода блока обработки фотоэлектрического сигнала можно подать в систему автоматического контроля.

19

I I

I_____________________I

Рис. 1

На рис. 1 представлена структурная схема устройства анализатора цвета поверхности твердых материалов, а на рис. 2 - один из вариантов выполнения датчика [2].

Анализатор цвета состоит из датчика и электронного блока. Датчик выполнен в виде полусферы 1, в которую установлены три пары У образных подводящих 2-4 и отводящих 5-7 оптоволокон.

Электронный блок включает в себя задающий генератор 9, коммутатор 10, три триггера 11-13, три выхода которых соединены с тремя измерительными светодиодами 14, 16, 18, вторые три выхода - с компенсационными светодиодами 15, 17, 19, три приемника оптического излучения 20-22, выход каждого приемника оптического излучения подсоединен к входу соответствующего блока сравнения 23-25, выход каждого из которых соединен с соответствующим измерительным прибором 26-28. Далее электронный блок включает в себя блок обработки фотоэлектрического сигнала 29, запоминающее устройство 30 и измерительную систему, например, ЭВМ.

Рис. 2

Устройство работает следующим образом. Задающий генератор 9 вырабатывает импульсы, которые подаются на вход коммутатора 10. Разделительные импульсы подаются на вход трех идентичных триггеров 11-13, три выхода которых соединены с тремя измерительными светодиодами 14, 16, 18, вторые три выхода - с компенсационными светодиодами 15, 17, 19 импульсы от триггеров поступают на соответствующие светодиоды. Каждый оптрон отвечает за контроль конкретного того или иного параметра.

Контролируемая поверхность 8, которая заключена в полусферу 1, по подводящим оптическим волокнам 2 - 4 облучается двумя световыми потоками (измерительным и компенсационным).

Оптоэлектронные пары заключены в кольцевой кожух из мягкой резины для необходимой ориентации датчика и светоизоляции оптического канала и расположены они под углом, например 45°, относительно друг друга и симметрично относительно нормали к контролируемой поверхности в точке отражения.

Оптическое излучение отражается от контролируемой поверхности и отводящими оптическими волокнами 5 - 7 подается на приемники оптического излучения 20-22, работающие на длинах волн Х1=680 нм Х2=560 нм Х3=450 нм и

преобразующие оптические сигналы в электрические. Благодаря прохождению света через подводящее и отводящее оптоволокно подается и принимается узкий пучок излучения, который дает возможность контроля параметров.

Далее сигнал попадает на свой блок сравнения 23, 24, 25, берется отношение двух сигналов (измерительных и компенсационных) и далее измерительной системой 26, 27, 28 определяют оттенки трех цветов. Процесс измерения на данном этапе можно закончить. Или три сигнала могут поступать на блок обработки фотоэлектрического сигнала 29, где сопоставляются с любым из ряда образцовых, хранящихся в запоминающем устройстве 30. Далее оба сигнала или их отношение подаются на измерительную систему или в ЭВМ 31. Благодаря прохождению света через подводящие 2-4 и отводящие 5-7 оптоволокна подается и принимается узкий пучок излучения, который дает возможность контроля параметров.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. . Ушаков, О.К. Оптоэлектронный метод определения качественных параметров металлических поверхностей / О.К. Ушаков, Н.Р. Рахимов, Т.В. Ларина // Сб. материалов V междунар. науч. конгр. «ГЕО-Сибирь-2009» - Новосибирск, 2009. - Т. 5., ч.1. - С. 105-109.

2. . Заявка № 2009147534 (070349) Российская федерация. Анализатор цвета поверхности твердых материалов/Б.Н. Рахимов и др.; Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия».

© О.К. Ушаков, Н.Р. Рахимов, Т.В. Ларина, Е.Ю. Кутенкова, В.А. Плиско, 2010