Сканер для безконтактной дефектоскопии материалов в ТГЦ диапазоне

Результаты разработки модели сканера для проведения дефектоскопии материалов методом неразрушающего контроля в терагерцовом диапазоне электромагнитного спектра. Методика сканирования исследуемых образцов и обработки полученных данных в среде LABVIEW.

Рубрика Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Вид статья
Язык русский
Дата добавления 14.08.2020
Размер файла 1,2 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сканер для безконтактной дефектоскопии материалов в ТГЦ диапазоне

Владимиров В.М.

Аннотация

В статье приведены результаты разработки модели сканера для проведения дефектоскопии материалов методом неразрушающего контроля в терагерцовом диапазоне (ТГц) электромагнитного спектра. В качестве зондирующего источника излучения использован молекулярный лазер с оптической накачкой с помощью волноводного СО2 лазера, перестраиваемого в широком диапазоне длин волн от 9.4 мкм до 10.7 мкм. Для автоматизации процесса измерений разработана методика сканирования исследуемых образцов и обработки полученных данных в среде программирования LABVIEW с использованием микроконтроллера ArduinoUNO.

Ключевые слова: дефектоскопия, терагерцовое излучение, СО2 лазер.

SCANNER FOR NON-CONTACT FAULT DETECTION OF MATERIALS IN THZ RANGE

Research article

Vladimirov V.M.1, Reushev M.Yu.2, Nikitin S.L.3, *,, Davletshin N.N.4

2 SFU, Krasnoyarsk, Russia;

1, 3, 4 Federal Research Centre KSC SB RAS, Krasnoyarsk, Russia

Abstract сканер безконтактный дефектоскопия

The article presents the results of the development of a scanner model for fault detection of materials by non-destructive testing in the terahertz range (THz) of the electromagnetic spectrum. A molecular laser with optical pumping using a waveguide СО2 laser tunable in a wide range of wavelengths from 9.4 мm to 10.7 мm was used as a probing radiation source. To automate the measurement process, the method for scanning the samples under study and processing the obtained data in the LABVIEW programming environment using the ArduinoUNO microcontroller was developed.

Keywords: fault detection, terahertz radiation, СО2 laser.

Введение

В последнее время, кроме широко используемых методов дефектоскопии, таких как акустических, рентгеновских, оптических находит распространение радиоволновая дефектоскопия, которая с недавнего времени расширена до субмиллиметрового (ТГц) диапазона. В космической промышленности, где важна точность и аккуратность проведения работ по диагностики обшивки летательного аппарата применяются ультразвуковые дефектоcкопы [1]. Одной из первых организаций применяющий радиоволновую дефектоскопию стала НАСА [2, С. 279]. К примеру, в НАСА, для обнаружения потенциально опасных дефектов в напыленной изоляционной пене внешнего топливного резервуара космического аппарата используют ТГц излучение [3]. В 2005 году ТГц дефектоскопы были приняты Космическим центром Кеннеди в качестве диагностического инструмента для сканирования термических плиток орбитального аппарата для рейсов шаттла. Помимо осмотра термических плиток на предмет скрытого повреждения, дефектоскопы позволяют точно определить местоположения компонентов под плитками, которые нуждаются во внимании, без дорогостоящего удаления и замены дополнительных плиток [4], Одним из основных достоинств ТГц дефектоскопов являются их неразрушающее действие [5]. Вследствие того, что ТГц излучение является неионизирующим, процесс сканирования исследуемых образцов является безопасным для пользователя [6]. В последнее время, появилась возможность визуализации ТГц излучения, что позволяет усовершенствовать процессы диагностики и обнаружения дефектов [7].

Целью настоящей работы являлась разработка макета сканера для дефектоскопии материалов радиоволновым методом в ТГц диапазоне.

Экспериментальная установка

Экспериментальная установка состояла из источника ТГц излучения, предметного стола для крепления образцов и устройства регистрации.

В качестве источника ТГц излучения применялся созданный в отделе молекулярной электроники ФИЦ КНЦ СО РАН молекулярный газовый лазер с оптической накачкой излучением перестраиваемого по частоте волноводного СО2 лазера. Принципиальная схема ТГц лазера и приведена на рисунке 1. В качестве активных сред ТГц лазера использовался метанол и дифторметан [8]. Из литературы [9], известно, что применение данных газов позволяет получить лазерное излучение в диапазоне 30 мкм до 800 мкм. Измерение значений длин волн осуществлялось при помощи сканирующего интерферометра Фабри-Перо (TSFPI) и оптоакустического детектора Голея (GC-1P) (все: ООО «Тидекс», г. Санкт-Петербург).

Характеристики детектора Голея привены в таблице 1.

Таблица 1 - Характеристики детектора Голея

Рабочий диапазон длин волн, микрон

0.3 ч 6.5 & 13 ч 8000

Рекомендуемая регистрируемая мощность, Вт, до

1 x 10-5

Оптимальная частота модуляции, Гц

15 ± 5

Эквивалентная мощность шума (NEP), Вт/Гц1/2

1.4 x 10-10

Оптическая чувствительность, В/Вт

1 x 105

Скорость отклика, мс

30

Обнаружительная способность (D*), см x Гц 1/2 /Вт

7.0 x 109

Примечание: Принципиальная схема ТГц лазера приведена на рисунке 1

Рис. 1 - Принципиальная схема ТГц лазера

В ходе экспериментов была получена генерация на многих длинах волн (см. таблицу 1). Мощность ТГц излучения на полученных линиях генерации составляла величину порядка 1 мВт.

Таблица 1 -Полученные длины волн ТГц излучения

Активный газ

Длина волны, мкм

Переход накачки

метанол

96

9R10

110

9P24

117

9P14

118

9P36

151

9R26

159

9R26

163

10R38

170

10R40

дифторметан

122

9R22

135

9P24

158

9P20

184

9R32

193

9R26

215

9R34

235

9R32

 

Существует два основных способа сканирования объекта. При первом способе сканирующий луч перемещается вдоль объекта, при втором перемещается объект в поле неподвижного луча. За основу была выбрана вторая схема, в которой предметный стол [10] с закрепленным образцом перемещается в плоскости перпендикулярной лучу сигнала. Для процедуры сканирования была разработана схема автоматизации процесса поиска и визуализации дефектов (см. рисунок 2) на базе микроконтроллера ArduinoUNO. К микроконтроллеру подключены шаговые двигатели, для перемещения предметного стола, детектор Голея, сигнал которого оцифровывается с помощью АЦП микроконтроллера и записывается в массив. Сам Arduino подключен к компьютеру с предустановленным программным обеспечением.

Рис. 2 - Схема экспериментальной установки:

1 - ГенераторТГц сигнала; 2 - Схема фокусировки; 3 - Предметный стол; 4 - Образец; 5 - Система шаговых двигателей; 6 - Микроконтроллер Arduino; 7 - ДетекторГолея; 8 - ПК

Для работы с микроконтроллерами Arduino применялось программное обеспечение ArduinoIDE, позволяющее использовать готовые библиотеки для написания программы сканирования и регистрации сигнала. Для разработки ПО для управления микроконтроллером использовалась среда разработки LABVIEW, позволяющая создавать виртуальный прибор для полного контроля процессов (см. рис.3).

Рис. 3 - Виртуальная приборная панель сканера

Все необходимые пакеты для сопряжения работы микроконтроллераи ПО находятся в открытом доступе. Данное ПО позволяет управлять Arduino в режиме online.

Блок схема алгоритма программы работы модели сканера для проведения дефектоскопии материалов представлена на рисунке 4. Весь процесс работы дефектоскопа можно разделить на несколько этапов.

Рис. 4 - Блок-схема алгоритма программы

Первый этап - калибровка. В момент калибровки предметный стол проходит всю область предметного стола с образцом. При этом определяются границы сканирования, разрешение сканера, а также определяется значение амплитуды I0 терагерцового сигнала в качестве опорного сигнала.

На втором этапе производится установка границ сканирования и необходимое разрешение. Далее программа определяет геометрические размеры области сканирования и точку начала сканирования, устанавливает шаг с учетом заданного разрешения. Таким образом, шаг сканирования это пиксель получаемого изображения. После этого начинается по «пиксельное» сканирование образца (см. рисунок 6).

Рис. 6 - Траектория сканирования, а также представление информации о съемке в виде массива

На каждом шаге предметный столик останавливается на t секунд, для накопления детектором сигнала прошедшего через образец на этом участке. В качестве сигнала считываются показания детектора Голея в виде сэмпла. Из сэмпла извлекается амплитуда сигнала I1, которая программно усредняется за время накопления t (см. рисунок 7). Однородный образец имеет одно значение I1 на всех участках. Если имеются дефекты (царапины, сколы, грязь), то значение I1 меняется в зависимости от формы и глубины этих дефектов.

Рис. 7 - Осциллограмма ТГц излучения, снятая детектором Голея

На третьем этапе после того, как образец будет полностью отсканирован, получается массив значений I1 размером I (i, j), по значениям которого строится изображение с определенным разрешением. Изображение позволяет визуально ознакомиться с результатом сканирования, и локально определить наличие дефектов, после чего можно провести более детальное сканирование, а именно возобновить съемку уже в более высоком разрешении, в месте определения дефекта.

Заключение

Для проведения радиоволновой дефектоскопии был разработан и исследован ТГц лазер с оптической накачкой СО2 лазером. Излучение ТГц лазера позволяет исследовать дефекты в различных материала и прежде всего в диэлектрических. В работе предложен метод автоматизации дефектоскопии образцов, которая позволит локально определять дефекты и выводить информацию о них в удобной форме, в том числе в виде изображения.

Результаты работы могут быть полезны при дефектоскопии потенциально опасных дефектов в теплоизоляционных покрытиях космических аппаратов и в других применениях. В дальнейших исследованиях предполагается проведение дефектоскопии различных диэлектрических материалов, накопление базы данных по дефектам для последующего практического применения. 

Список литературы

Мурашов В.В. Неразрушающий контроль заготовок и деталей из углерод-углеродного композиционного материала для многоразового космического корабля «Буран» / В.В. Мурашов - Труды ВИАМ - 2013. - С. 152-157.

Chen C. H.Ultrasonic and Advanced Methods for Nondestructive Testing and Material Characterization. /C.H. Chen. -World Scientific. - 2007.- P. 665.

Roth R.Non-Contact Measurement of Density and Thickness Variation in Dielectric Materials. / R. Roth. - Glenn Research Center. - 2009.

Ospald F. Aeronautics composite material inspection with a terahertz time-domain spectroscopy system. /F.Ospald, W.Zouaghi, R.Beigang etc. - SPIE. - 2014. - P. 15.

Siegel P.H. Terahertz Technology/ P.H. Siegel - IEEE Transactions on microwave theory and techniques. Vol 50. - 2002. - № 3. - P. 910-917.

A Terahertz Technology. Fundamentals and Applications / A. Rostami, H. Rasooli, H.Baghban - Lecture Notes in Electrical Engineering - 2010. - P. 256.

Chan W. L.Imaging with terahertz radiation. /W. L. Chan, J.Deibel,D.Mittleman. -Rep. Prog. Phys. A 70, 2007. - P. 1325-1379.

Xu Li-Hong. Methanol and the Optically Pumped Far-Infrared Laser/ Li-Hong Xu, R. M. Lees, E. C. Vasconcellos - IEEE Journal of Quantum Electronics Vol. 32 - 1996. - № 3. - P. 392-399.

Douglas N.G. Milimetre and Submilimetre Wavelength Lasers A Handbook of cw Measuremanets. / N.G. Douglas. - Springer Series in Optics Sciences. - 1989. - № 61. - P. 275.

Moyer I. E. CoreXY [Electronic resource]/ I. E Moyer //MIT. - 2012. - URL: http://corexy.com/corexyr1/index.html (accessed 22.08.2019).

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

  • Примеры применения дециматоров и интерполяторов. Алгоритм полигармонической экстраполяции для реставрации аудиозаписей. Главные особенности вычисления спектра методом Прони. Реализация алгоритма восстановления сигнала в среде программирования LabVIEW.

    дипломная работа [9,1 M], добавлен 11.09.2012

  • Электромагнитные методы неразрушающего контроля. Особенности вихретокового метода неразрушающего контроля. Основные методы возбуждения вихревых токов в объекте. Дефектоскопы многоцелевого назначения. Использование тепловых метода неразрушающего контроля.

    реферат [782,1 K], добавлен 03.02.2009

  • Описание основных приборов контроля двигателя и изучение технической схемы тахометра марки ИТЭ-1. Расчет эмпирических параметров и количественный анализ эксплуатационной надёжности прибора. Моделирование работы ИТЭ-1Т в программной среде LabVIEW 8.5.

    курсовая работа [783,6 K], добавлен 10.01.2013

  • Необходимое условие применения СВЧ-методов. Варианты схем расположения антенн преобразователя по отношению к объекту контроля. Три группы методов радиоволновой дефектоскопии: на прохождение, отражение и на рассеяние. Аппаратура радиоволнового метода.

    реферат [2,8 M], добавлен 03.02.2009

  • Построение амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристики отрезка волновода в заданном диапазоне. Картина силовых линий электромагнитного поля, зависимость их продольных составляющих от поперечных координат. Изменение длительности импульса.

    контрольная работа [1,7 M], добавлен 07.02.2011

  • Электрические методы неразрушающего контроля. Диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь электроизоляционных материалов. Работа электропотенциальных приборов. Электропотенциальный метод с использованием четырех электродов.

    реферат [1,7 M], добавлен 03.02.2009

  • Определения в области испытаний и контроля качества продукции, понятие и контроль. Проверка показателей качества технических устройств. Цель технического контроля. Классификация видов и методов неразрушающего контроля. Электромагнитные излучения.

    реферат [552,7 K], добавлен 03.02.2009

  • Возможности современных ультразвуковых (УЗ) сканеров. Структурная схема универсального УЗ сканера. Блок управления механическим секторным и линейным датчиком. Генераторы УЗ импульсов. Схема блока фокусировки УЗ луча. Полосковая линия задержки луча.

    реферат [957,3 K], добавлен 15.01.2011

  • Методика расчета дальности связи с подвижными объектами в гектометровом диапазоне при использовании направляющих линий. Базовые кривые распространения радиоволн. Коэффициенты, учитывающие флуктуации сигнала. Расчет дальности связи между локомотивами.

    методичка [595,7 K], добавлен 14.10.2009

  • Принцип работы и назначение кабельной распределительной сети, проблема ее технического обслуживания. Разработка и практическое внедрение измерительного комплекса "ОК" для настройки и контроля работоспособности кабельной сети в диапазоне обратного канала.

    дипломная работа [882,2 K], добавлен 23.06.2009

  • Решение задачи регулирования адаптивной поверхности главного зеркала радиотелескопа, предназначенного для работы в миллиметровом диапазоне радиоволн. Моделирование полномасштабной конечно-элементной модели полноповоротной зеркальной антенной системы.

    дипломная работа [6,8 M], добавлен 14.09.2011

  • Анализ исходных данных и выбор структуры приемника. Входные цепи супергетеродинного приемника, измерение коэффициента передачи в рабочем частотном диапазоне. Выбор схемы усилителя радиочастоты и детектора, их обоснование. Фильтр сосредоточенной селекции.

    курсовая работа [1,6 M], добавлен 11.12.2012

  • Определение и расчет данных для моделирования целостности питания и сигналов в модулях. Расчет просадок напряжения, импедансов путей от источника к нагрузкам в рабочем диапазоне частот, перекрестных наводок и волнового сопротивления сигнальных линий.

    курсовая работа [595,4 K], добавлен 25.10.2012

  • Определение уровня сыпучих материалов с помощью уровнемера. Анализ объекта исследований, методов и приборов для измерения уровня. Выбор и описание конструкции прибора. Произведение математической обработки результатов, проверка однородности наблюдений.

    курсовая работа [863,7 K], добавлен 30.11.2014

  • Этапы разработки и перспективы внедрения проекта по созданию бюджетного лазерного комплекса на базе полупроводникового лазера, предназначенного для обработки органических материалов. Исследование основных параметров и характеристик фотоприемника.

    курсовая работа [883,0 K], добавлен 15.07.2015

  • Результаты практического применения виртуальной эндоскопии сосудов (ангиоскопия) без введения эндо-колоноскопа на основании обследования пациентов с различной патологией сосудов. Изучение принципов и параметров сканирования, реконструкции изображения.

    курсовая работа [9,2 M], добавлен 19.05.2014

  • Разработка автоматизированного дефектоскопа для сдаточного ультразвукового контроля бесшовных стальных труб. Методы и аппаратура контроля. Способ ввода ультразвука в изделие. Тип преобразователя и материала пьезоэлемента. Функциональная схема устройства.

    курсовая работа [1,3 M], добавлен 14.01.2015

  • Датчик УЗ сканера как выносное устройство, которое служит для локации объекта УЗ колебаниями и приема и преобразования в электрические импульсы отраженных звуковых сигналов. Двухмерная В-эхограмма как основной способ УЗ визуализации внутренних органов

    реферат [141,5 K], добавлен 11.01.2011

  • Применение ультразвуковой (УЗ) аппаратуры. Сущность эффекта Доплера. Универсальный передатчик УЗ колебаний. Цифровая задержка с памятью для фокусировки при передаче. Аналоговый тракт современного УЗ сканера. Логарифмическое преобразование эхо-сигналов.

    контрольная работа [395,7 K], добавлен 14.01.2011

  • Устройства ввода изображения и видео. Принцип работы планшетного сканера. Виды проекционных приборов. Устройства для вывода визуальной информации. Классификация мониторов по строению. Свойства акустико-механической системы. Плоттеры бытового назначения.

    реферат [26,0 K], добавлен 24.10.2014

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.