24 / 4 (77), 2014 УДК 681 .7 .068: 681 .581 .3 Поступила 21.05.2014 Е. И. МАРУКОВИЧ, Е. М. ПАТУК, ИТМ НАН БЕЛАРУСИ, А. П. МАРКОВ, С. С. СЕРГЕЕВ, А. Г. СТАРОВОЙТОВ, Белорусско-Российский университет, О. Ю. БОНДАРЕВ, ПА «МЕГА» СПЕКТРАЛЬНО-ФОТОМЕТРИЧЕСКАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ОТЛИВОК И ПРОКАТА Рассматриваются способы и структуры визуально-оптической дефектоскопии поверхностей изделий литейного производства и металлургии. Ways and structures of visual and optical detectoscopy of surfaces of articles of foundry production and metallurgy are considered. Введение. Обеспечение контролеспособности технологий и производств особо значимо для со- вершенствующихся и развивающихся процессов и операций . При этом опережающими являются способы и средства оперативного технологическо- го контроля, гарантирующего выход качественной продукции с нормируемыми материально-энер ге- тическими и технико-экономическими показателя- ми . В современном производстве конкурентоспо- собной продукции технологический контроль ста- новится определяющей стадией на всех этапах операционных воздействий и взаимодействий в еди- ной системе обеспечения качества и снижения за- трат . Характерное для производства простран- ственно-временное распределение геометрических параметров поверхностей соответственно отража- ется в сопровождающем каждую операцию инфор- мационном процессе . И если физико-технические свойства и параметры поверхности на первичном уровне присущи геометрическому телу, то на ин- формационном уровне они абстрагируются и про- являются уже в формализованном виде . Такая информационно-технологическая взаимосвязь ко- личественных и качественных характеристик гео- метрических параметров поверхностей и их аб- страктных отображений позволяет моделировать и вести мониторинг смоделированного инфор ма- ционно-преобразовательного процесса по сово- купности формализованных и взаимосогласован- ных операций . Пространственно-временная изменчивость по- верхностей проявляется в совокупности призна- ков . С их проявлением и выявлением формируется и первичная технологическая информация . Как тех- нологические признаки изменчивости, так и ха- рактер технологической информации различаются физической природой первичного отображения, его физическими величинами и информативными параметрами . И для достоверной оценки реальной изменчивости необходимо пространственно-вре- менное выявление расположения и особенностей формирующихся информативных источников не- посредственно в производственных условиях . Формирование и поиск информативных ис- точников. Дефектоскопия изменчивой поверхно- сти связана с обнаружением и анализом многооб- разного признакового пространства . Посредством обратных связей локализируется признак и иден- тифицируется соответствующее ему поверхност- ное нарушение сплошности . При этом если техно- логический признак изменчивости связан с дефек- тоскопируемой поверхностью, то для идентифика- ции необходимо трансформировать информативное излучение для анализа . Информативность признаков изменчивой по- верхности определяется эффектами взаимодействия воздействующих излучений с приповерхностным слоем . И проявляемость технологической измен- чивости, как информационно-физическое свойство материальной поверхности, характеризует ее спо- собность к спектрально-энергетическому взаимо- действию с излучателем . Структура спектрально- энергетической трансформации учитывает как по- лезную информацию, так и дестабилизирующее воздействие помех . Схемотехника преобразований и трансфор- мации излучений. Использование оптических све- топроводящих моноволокон вносит некоторое раз- / 25 4 (77), 2014 нообразие в преобразовательный процесс . В об- щем случае схемотехника информационно-энерге- тических преобразований строится на много - образии функциональных элементов восприятия, формирования, трансформации излучений и ото- бражения информации у получателя . В простей- шем случае структура преобразований представля- ет собой систему оптических светопроводящих моноволокон, сформированных в соответствии с алгоритмом взаимосвязей излучателя, объекта, приемника излучений и потребителя . В таком вза- имодействии спектрально-энергетическое излуче- ние источника трансформируется через объект к виду, удобному для получения потребителем . Специфи- ка световодных преобразований в основном опре- деляется схемами группирования элементарных моноволокон в жгуты для транслятора, преобразо- вателя, коллектора, кодера, устройства отображе- ния оптических изображений и др . В простейших схемах прямых преобразований излучение источника с энергетической яркостью Lэ переносится для непосредственного воздей- ствия на объект и выходной торец световода вы- полняет функцию вторичного излучателя . Отобра- жение объекта воспринимается входным торцом информационного световода, трансформирующего информативное излучение через приемник для оптического изображения Lи результата у потреби- теля (см . рисунок) . Информационно-энергетическая цепочка пара- метров световодной системы прямого преобразо- вания представляется характерными спектрально- энергетическими параметрами каждой операции, отражающими ее специфические особенности . Для них характерна зависимость «вход-выход» . Общая выходная мощность Рвых всей цепи преобразований определяется выражением: , где Ри – мощность излуче- ния, вводимая в световод под углом ϕ; – коэффициент светопропускания световода-излу ча- теля, информационного световода и объекта; k – коэффициент чувствительности фотоприемника . Полная мощность, излучаемая источником в те- лесном угле 2π, равна Pи = Lэ·2π 2 cr , где Lэ – энергетическая яркость источника; rc – ра- диус световода . Эффективная площадь входных и выходных торцов световодов 2ý ìS r n= π , где rм – радиус серд- цевин моноволокон, n – число моноволокон, опре- деляется качеством обработки (микронеровности), наличием сколов, неплотностью формирования торцов моноволокон в световоде, коэффициентами преломления среды на входе и выходе и другими факторами . Эти факторы существенно влияют на информационные и энергетические характеристи- ки оптического канала . При прямом преобразовании на энергетиче- ские характеристики (информационные, метроло- гические) канала оказывают большое влияние по- тери информации на собственные преобразования в каждом последовательном функциональном эле- менте . С учетом природы этих потерь и схемы ка- нала восстановить потерянную в цепи преобразо- ваний информацию не представляется возможным . Однако на основе метрологических методов и структур схемной комбинаторики строятся све- товодные преобразователи с улучшенными инфор- мационными, энергетическими и точностными по- казателями [2] . При синтезе световодной системы преобразо- вания и передачи оптической информации исходят из предпосылки, что каждой точке объекта с харак- терными пространственно-временными координа- тами соответствует отображаемая точка изображе- ния также с определенными пространственными и временными координатами . Для оптических систем отличительное значе- ние имеют физические величины, более удобные для моделирования и описания . В преобразова- тельных процессах информативные сигналы ото- бражаются чаще всего в виде энергии или плотно- сти энергии излучения . Более существенными яв- ляются следующие первичные характеристики ин- формационного процесса: • увеличение, определяемое по изменению мас- штаба координат при передаче или преобразовании вида объекта в изображение; • передаточная характеристика, определяемая по изменению выбранной характерной величины в процессе передачи или преобразования вида объ- екта в изображение; • функция размытия, определяемая по степени вклада влияния сигнала от некоторой точки объек- Схема световодного канала прямого преобразования 26 / 4 (77), 2014 та на сигнал в других точках изображения, соот- ветствующих другим точкам объекта; • шум, определяемый по величине случайных флуктуаций, налагаемых на сигнал . В принципе эти флуктуации имеются в каждой из трех указанных выше характеристик . На практике достаточно учитывать влияние флуктуаций на значе- ние сигнала и связанную с ним величину, выбранную для анализа передаточной характеристики . При этом в световодной системе передачи и пре- образования оптической информации общего вида не обязательно полное соответствие простран- ственных и временных координат точки объекта пространственным и временным координатам свя- занной с ней точки отображения . Иногда одномер- ная выборка точек в двумерной области плоскости объекта преобразуется в изображение, имеющее вид одномерного электрического сигнала, напри- мер, при стробировании . С точки зрения теории информации любую све- товодную систему передачи и преобразования сиг- нала от первичного отображения в информативное излучение объекта можно представить как оптиче- ский канал связи . Поток информации об объекте поступает на вход такого канала, частично теряет- ся в нем и приходит в плоскость оптического изо- бражения у потребителя . В случае идеальной све- товодной системы ее информационная способ- ность бесконечно велика как за счет бесконечного числа независимых элементов, которые можно вы- делить в любом ограниченном по пространству изображении, так и за счет того, что каждый эле- мент сигнала может принимать бесконечное число различных значений физической величины, вы- бранной для характеристики сигнала . В реальной световодной системе функция размытия ограничи- вает число независимых элементов, которые мож- но выделить в пространственно ограниченном ото- бражении, а шум ограничивает число уровней зна- чений, которые можно надежно различить в опти- ческом сигнале . Анализ особенностей передачи информации в оптическом тракте и расчет параметров свето- водной системы проводятся с учетом наличия ак- тивных полихроматических элементов . Активные элементы могут преобразовывать световой полих- роматический сигнал в электрический и наоборот . При этом они могут преобразовывать свет одного спектрального состава в свет с другим спектраль- ным составом . Тогда энергия входного сигнала при одной длине волны влияет на энергию выходного сигнала уже при другой длине волны . Схемотехника световодных преобразований строится из предположений, что вся оптическая информация о первичном отображении генериру- ется диффузно-рассеянным излучением контроли- руемого участка объекта . Оптический сигнал ∆Фi, отражаемый каждым элементарным источником информации М, падает в поле зрения оптической системы . В способах и средствах визуально-оптической дефектоскопии на основе световодных и телевизи- онных каналов передачи оптических излучений и изображений потенциальных дефектов наблюда- емой поверхности предполагают ориентированное освещение и последующее восприятие контраст- ных изображений отдельных участков, зон или объемов непосредственно оператором . В них для формирования и приближения изо- бражения осматриваемого участка непосредствен- но наблюдателю (через окуляр) требуется мощный источник питания (в большинстве от промышлен- ной сети) и высокоразрешающий волоконно-опти- ческий канал передачи изображения [1] . В реальных условиях способы световодной ви- зуализации изображений ограничены разрешающей способностью световодов, их потерями и субъек- тивными возможностями наблюдателя . При этом наблюдателю непрерывно поступают оптические изображения (в виду помех не всегда хорошего ка- чества), которые он должен воспринимать, запоми- нать и сравнивать с некоторыми аналогами изобра- жений дефектов по фотообразцам, картам или по памяти . В способах структурной оптимизации ком- плексные преобразования связаны непосредствен- но с рациональной обработкой . Больший эффект обеспечивают адаптивные способы пространствен- но-временной обработки [2] . Однако параметры реальных структур, как и контролируемых поверх- ностей, существенно различаются в простран ствен- но-временном и спектральном распределении . Такие различия ограничивают чувствительность и досто- верность способов дефектоскопии, так как преоб- разования первичных изображений и их обработка наблюдателем производятся в различных простран- ственно-временных координатах . Ограниченные восприимчивость и чувстви- тельность, а также энергозависимость снижают технико-экономическую эффективность, достовер- ность и производительность такого способа дефек- тоскопии . С учетом большого многообразия видов дефектов и их типоразмеров управление поиском и выявление источников информации по интенсив- ности отраженного дефектным участком излуче- ния требует продолжительного рассмотрения изо- бражения с регулированием резкости непрерывно освещенного участка поверхности и его восприя- тия через объектив, что также снижает достовер- / 27 4 (77), 2014 ность и производительность способа визуально- оптической дефектоскопии [2] . Ступенчатое регу- лирование освещенности в визуально-оптической дефектоскопии не решает задачи улучшения вос- приимчивости оптических изображений контраст- ных мест [1] . В предложенном способе спектрально-фото- метрической дефектоскопии поверхности объекта формирование и локализация изображения осма- триваемого участка дефектируемой поверхности осуществляются одновременно со взаимодействи- ем этой поверхности и поверхности образцовой . Для освещения используются излучения управляе- мых монохроматических источников с последую- щим фотометрированием в реальных простран- ственно-временных координатах . При этом свето- водный коллектор-смеситель формирует одновре- менно воздействующее на образцовую поверхность и участок поверхности изделия регулируемое из- лучение . Формируемое монохроматическими из- лучателями и направляемое по жгутам оптических моноволокон на коллектор-смеситель излучение разделяется жгутами светопроводящих волокон на два лучистых коллимированных потока . Они одно- временно воздействуют на поверхность контраст- ную и поверхность образцовую, а отраженные от них оптические изображения оптической призмой одновременно направляются на фотоприемник об- разцовый и фотоприемник контрастный . Их элек- трические выходные сигналы обрабатываются в ком- параторе, а результаты представляются на устрой- стве отображения . Спектрально-фотометрическая дефектоскопия по способу сравнения обеспечивает повышение чувствительности и выявляемости дефектных мест . В такой структуре повышаются достоверность и производительность при улучшении технико- экономической эффективности дефектоскопии, осу- ществляемой в реальных пространственно-вре мен- ных координатах . Литература 1 . Б ы ч к о в, О . Д . Контроль внутренних поверхностей / О . Д . Бычков . – М .: Энергия, 1975 . 2 . Визуально-оптическая дефектоскопия и размерный контроль в литейном производстве / Е . И . Марукович и др .; под общ . ред . Е . И . Маруковича . Минск: Белорусская наука, 2007 . С . 52–54, 60–72, 82–86, 92–97 . 3 . Заявка №а20111427 Республика Беларусь: МПК G 01N 21/88 . Способ спектрально-фотометрической дефектоскопии по- верхности объекта и устройство для его осуществления / Е . И . Марукович, А . П . Марков, О . Ю . Бондарев, Е . М . Патук, А . Г . Старовойтов; заявитель – ГНУ «ИТМ НАН Беларуси»; заявл 27 .10 .2011, опубл . 30 .06 .2013 // Офиц . бюл . «Изобретения . Полезные модели . Промышленные образцы» . 2013 . № 3 . С . 32 .