Физические основы измерения температур

(PtSi), примесных кремния (Si : х) и германия (Ge . ). перспективных  многослойных структур с квантовыми  ямами на базе GaAs/AIGaAs - так называемых QWIP-детекторов (Quantum Well Infrared Photodctcctor).

Основные материалы, используемые для неохлаждаемых матриц:

- микроболометрических (изменяющих  в широких пределах внутреннее  сопротивление в зависимости  от изменения плотности поглощаемого  ими теплового излучения) - модификации окислов ванадия VxOy, поликристаллический и аморфных кремний;

- пироэлектрических (пропорционально  изменяющих уровень спонтанной  поляризации Р, каждого элемента  в зависимость от скорости  изменения его температуры, - т.е. также от плотности теплового потока) -цирконаты свинца, ниобаты и титанаты бария - стронция, сополимеры виниленфторида.

В табл. 4 указаны основные параметры ИК матиц для различных тепловизионных приборов, технические характеристики которых приведены в сводной табл. 5.

Для глубокого криогенного охлаждения (7"= 75 ... 80 К) матриц на квантовых приемниках используются жидкий азот или газовая микрохолодильная машина, работающая по замкнутому циклу Сплит - Стирлинга.

Для относительно неглубокого охлаждения (Т= 150 ... 250 К) или термостабилизации (в том числе иногда и микроболометрических матриц) используются 2 ... 3 каскадные термоэлектрические элементы Пельтье или эффект дросселирования газа под высоким давлением (20 ... 40 МПа).

Независимо от типа используемого тепловизора при визуализации тепловых полей или измерении температуры существенную погрешность вносит большой разброс излучательной способности £ поверхностей наблюдаемых объектов. Так, например, полированная поверхность металлической пластины с Е\ = 0,1 и /, = 31 °С будет визуализироваться на экране монитора как более темная (холодная) по сравнению с окрашенной в черный матовый цвет шероховатой поверхностью с Е2 = 0,9 и г2 = 29 °С расположенной рядом аналогичной пластины.

При ответственных диагностических исследованиях влияние Е можно скомпенсировать использованием двухспектральных (с X, = 3 ... 5 и Х2 = 8 ... 14 мкм) тепловизоров. Не менее важным также является учет влияния на наблюдаемый объект с температурой Г, и s, облучающего его более нагретого близлежащего с Т2» Т, и г2» е,.

В обоих случаях эти мешающие факторы можно исключить или в значительной степени ослабить с помощью цифрового процессора со специальной программой, осуществляющего решение интегральных уравнений в каждое из которых входит исключаемое значение е (и при необходимости - эталонное £«).

С учетом этих факторов для обеспечения высокой дефектоскопической чувствительности предусматривается, особенно в диагностических средневолновых измерительных тепловизорах, эффективное вычитание яркости фона.

ВОЗМОЖНЫЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ТНК

Вибротепловизионный метод

Вибротепловизионный метод особенно перспективен для анализа изделий, работающих в условиях вибрации. В материалах с дефектами структуры под воздействием вибрации возникают температурные поля, что обусловлено рассеянием энергии колебаний на дефектах и превращением ее в теплоту за счет внутреннего перегрева в материале. В областях нарушения гомогенности структуры возникают локальные зоны перегрева объекта. На термограммах вибрирующих пластин и других

объектов четко выявляются дефекты типа расслоений, несплошностей и т.п.

При температурной чувствительности тепловизора 0,1 К в полимерных материалах дефекты типа расслоений размером порядка 5 х 6 мм2 выявляются на глубинах залегания до 2 ... 3 мм.

 

Быстрый поиск по Банку Рефератов:     | Описание работы | Похожие работы

 

Смотрите также: Роль ТНК в международных экономических отношениях (Реферат, 2002) и Методы изображений (Реферат, 2005)

 

В «слабых» (дефектных) зонах объекта амплитуды колебаний больше соответствующих значений для бездефектных участков материала. Разность температур растет с увеличением частоты колебаний, достигая 0,8 К при частоте 100 Гц и t ~ 50 с для образцов га стали. Вибрация изделий на частотах, соответствующих резонансным колебаниям дефектных участков, дополнительно повышает чувствительность метода.

Вибрационное возбуждение объектов можно реализовать с помощью пьезоакустических и других стандартных средств. Наиболее информативный

диапазон частот выбирают либо расчетным путем, либо экспериментально на имитаторах дефектов. Каждому дефекту соответствует своя характерная частота, поэтому контроль целесообразно проводить на нескольких частотах.

Метод тепловой томографии

Тепловая томография (ТГ) - метод визуализации внутренних сечений объекта с помощью тепловых эффектов. Его можно реализовать импульсным облучением объекта плоским равномерным пучком излучения и последовательной регистрацией «тепловых отпечатков» дефектов или неоднородностей теплофизических пап метров контролируемой структуры на противоположной стороне изделия с помощью быстродействующего теп ловизора.

Один из вариантов ТТ основан на регистрации на термограммах в различные моменты времени тепловых изображений дефектов, расположенных на различной глубине. Записывая эти изображения, например в цифровое ОЗУ, можно затем последовательно просматривать строение слоев изделия на различной глубине. Этот метод получил название метода хронологических термограмм (ХТГ) или динамической тепловой термографии (ДТТ). Исходной зависимостью теории ДТТ является зависимость температурного перепада над дефектом от времени. Количество различимых слоев достигает n = 15 для углепластика, n = 6 - для бетона.

Другой вариант ТТ основан на использовании алгоритмов реконструкции изображений, используемых в традиционной технике томографа. Например, система трехмерного контроля внутренних тепловых неоднородностей объекта может быть основана на использовании «эффекта миража». С помощью цилиндрической линзы на поверхности изделия фокусируется лазерное излучение в виде узкой полоски. Вспомогательный лазерный луч направляется вдоль этой полоски над поверхностью изделия (например, полированной кремниевой пластинки и т.п.). Объект последовательно перемешается в направлении, перпендикулярном освещаемой полоске, а после каждого цикла перемещения поворачивается относительно оси, совпадающей с направлением излучения. С помощью позиционно-чувствительного фотоприемника получают матрицу «проекций» для всех положений объекта, а затем восстанавливают изображение по стандартным алгоритмам. Для трехмерного контроля используют второй пробный луч, направляемый параллельно первому над обратной стороной объекта.

Для получения изображения форматом 18 х 18 точек достаточно выполнить 36 измерений (18 х 2 с поворотом на 90°). Увеличение количества проекций улучшает качество изображения, но резко повышает длительность обработки. В настоящее время есть перспектива создания методов ТТ, работающих в реальном времени.

Тепловизионный метод контроля влажности

Наличие влаги в объектах, особенно пористых, с развитой поверхностью обусловливает интенсивный процесс испарения за счет инфильтрации воды из подповерхностных областей материала. Процесс испарения сопровождается уменьшением температуры поверхности объекта. Тепловизионные методы позволяют дистанционно наглядно и оперативно определять места скопления влаги в объектах по термографическому изображению на котором зоны с повышенной интенсивностью испарения выглядят как менее нагретые.

Такие методы применимы в естественных условиях при наличии градиентов температуры между объектом и окружающей средой. Использование каких-либо источников искусственного нагрева изделий (например, мощных ИК-лазеров, СВЧ генераторов и т.п.), стимулирующих повышение скорости испарения, дополнительно увеличивает информативность метода.

Методы отличаются оперативностью и простоте процедур контроля. Однако количественная интерпретация результатов контроля достаточно трудна, что обусловлено сложностью анализа процесса массо- и тепло переноса, особенно в сложных метеоусловиях В этим целесообразно использовать тепловизионные методы в сочетании с каким-либо традиционным методов измерения влажности, используемым для получения калибровочных оценок влажности материала в некоторых опорных, реперных точках объекта. Например эффективно сочетание тепловизионного метода с инфракрасной рефлектометрией, реализуемой, например, с помощью ИК лазеров или других источников. Метод инфракрасной рефлексометрии основан на сильной зависимости интенсивности поглощения излучения в некоторых характерных линиях ИК-спектра от влагосодержания вещества. Для исключения мешающих факторов (колебания отражательной способности, обусловленные локальными изменениями шероховатости, цветности и подобными свойствами материала) применяют дифференциальный метод, который основан на сравнении коэффициентов отражения объекта в двух участках спектра. В одном участке отражение не зависит от влажности материала, но изменяется в соответствии с упомянутыми факторами, а в другом - зависит от этих факторов, и от влажности.

Вихретокотепловой метод

Вихретокотепловой (ВТТ) метод основан на радиоимпульсном возбуждении металлических объектов полем индуктора, приеме теплового отклика приповерхностным преобразователем во время и после теплового воздействия и анализе амплитудно-временной информации. Ход теплового процесса определяется теплофизическими и одновременно электромагнитными параметрами объекта, что позволяет в одном эксперименте проводить исследования как тепловыми, так и вихретоковыми методами. В частности, коэффициент температуропроводности чувствителен к химическому составу, тепловому» старению, термообработке, размерам зерна сплавов. С помощью

метода ВТТ возможна также (при фиксированных прочих параметрах) тепловая толщинометрия I ферромагнитных и тонкостенных изделий, изделии грубой поверхностью и др.

Возможен одно- и двухсторонний контроль изделий. Ввод энергии в объект возможен в контактном и бесконтактном вариантах. Нагрев изделия целесообразно регистрировать с помощью бесконтактного пирометрического датчика.

Характерные значения параметров приборов, реализующих метод ВТТ: рабочая частота 30 ...100 кГц, время нагрева 1 ... 3 с, вводимая от индуктора мощность 100 ... 150 Вт, диапазон контролируемых толщин 0,2...2 мм, радиус индуктора 10 мм, чувствительность пирометра на базе пироэлектрического детектора 0,05 ...0,1 К.

Радио тепловой метод

В процессе ТНК необходимо регистрировать объемное распределение температуры в объектах. Одним из методов измерения температуры приповерхностных и глубинных слоев изделий из диэлектриков, прозрачных в радиодиапазоне (диапазон длин волн от 1 до 100 ...150 мм), может быть СВЧ термометрии (СВЧТ).

Большинство материалов непрозрачны в ИК-диапазоне спектра, но хорошо пропускают СВЧ излучение. Глубина проникновения сильно зависит от длины волны и химического состава вещества. Для длин волн X = 100 мм она составляет до 200 мм и более (например, для биологических объектов), для волн с X = 1 мм - порядка 0,5 ... 2 мм. С ростом длины волны разрешающая способность падает.

 

Быстрый поиск по Банку Рефератов:     | Описание работы | Похожие работы

 

Смотрите также: Методы изображений (Реферат, 2005) и ТНК и их роль на мировых рынках (Курсовая, 2002)

 

Созданы средства локальной СВЧТ и системы радио-тепловидения. Следует отметить малую интенсивность потока теплового излучения от слабонагретых объектов в СВЧ диапазоне. Например, при Т= 30 °С излучение с длиной волны X = 10 см в 10s раз слабее, чем излучение с X = Хмах = 10 мкм. Это требует применения сверхчувствительных детекторов (обычно сверхпроводящих болометров, охлаждаемых до гелиевых температур) с чувствительностью порядка 0,01 ... 0,65 К. Кроме того, в СВЧТ велико время накопления сигнала (г > 10 с и более). СВЧТ реализуется в контактном и бесконтактном вариантах. Контактная СВЧТ реализуется с помощью антенны-зонда, например рупорного типа, которая накладывается на объект. При этом возможен как дифференциальный, так и абсолютный методы измерения. Бесконтактная СВЧТ реализуется в основном в диапазоне длин волн 1 ... 10 мм. Радиотепловое излучение объектов фокусируется на приемник с помощью радиооптических систем

Метод СВЧТ находится в стадии интенсивного развития и уже сегодня используется в медицинских исследованиях.

Фазовая термография

При сканировании объекта сфокусированным лазерным пучком, перемещение которого синхронизировано с разверткой ИК-камеры тепловизора, можно регистрировать фазовые термограммы, т.е. зависимость от времени изменения температуры в каждой точке термограммы. Метод позволяет существенно снизить влияние неоднородности излучательной способности поверхности объекта. Особенно эффективен он для контроля тонких пленок, различных покрытий и т.п. объектов. Применение техники синхронного детектирования позволяет дополнительно повысить чувствительность контроля.

Обычно используются быстродействующие тепловизоры, например, типа «Инфраметрикс», Р = 660 (спектральный диапазон чувствительности 8 ... 12 мкм, частота кадров до 60 Гц, число элементов растра 512 х 512 х х 16 бит) в сочетании с быстродействующими процессорами, буферными ОЗУ и ПЭВМ.

И - 7387

В качестве греющего лазера используют СО2 (X = 10,6 мкм). Со (X = 5 мкм), аргоновые лазеры и т.п.

Излучение лазера обычно модулируется акустооптическим модулятором и на обратном ходе развертки блокируется. Расстояние (временная задержка) между . греющим лучом и соответствующим мгновенным углом , зрения ИК-камеры может регулироваться.

Теплоголографический ТНК композитов

Контроль тонкостенных оболочек из полимерных композиционных материалов, прочность которых существенно зависит от дефектов типа воздушных расслоений, «слипнутых» отслоений и т.д., эффективен с помощью комбинированного теплоголографического метода.

Он заключается в нагреве (тепловом нагружении) изделия и совместной регистрации термограмм и голографических интерферограмм нагретой поверхности. При этом обнаружение дефектов производится по наличию аномалий интерференционных полос, а их протяженность и глубина залегания на основании анализа термограмм контролируемой зоны изделия при его нагреве галогенными лампами. Оператор с помощью голо-графического интерферометра с термопластической системой записи изображений и телевизионной системой практически в реальном масштабе времени наблюдает интерферограмму. В случае обнаружения аномалий (дефектных участков) на интерферограмме дальнейшая обработка дефектоскопической информации производится с помощью программного анализа термограмм, записанных в памяти ПЭВМ. Дефектоскопические процедуры реализуются на основе физико-математической модели процесса контроля (двухмерная обратная задача нестационарной теплопроводности).