Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния методов и средств контроля изделий из силикатов. 7
1.1. Основы формирования порошково-обжиговых покрытий. 7
1.2. Анализ методов расчета физических свойств силикатных материалов. 13
1.3. Анализ используемых методов контроля силикатных материалов . 24
1.4. Возможности оптических методов контроля для изделий из силикатов. 30
1.5. Постановка задач исследования. 36
2. Теоретическое обоснование фазово-растрового метода контроля . 37
2.1. Предпосылки для создания фазово-растрового метода контроля. 37
2.2. Математическая модель фазово-растрового метода контроля . 45
2.3. Принципы построения измерительных схем фазово-растрового метода контроля. 66
2.4. Определения физических свойств композиционных материалов, не являющихся коэффициентом обобщенной проводимости. 81
2.5. Выводы. 88
3. Разработка устройств фазово-растрового метода контроля . 89
3.1. Обоснование общей структурной схемы фазово-растрового контроля. 89
3.2. Основные узлы устройств фазово-растрового контроля. 91
3.2.1. Фазово-растровые модуляторы. 91
3.2.2. Интерферометр сдвига. 98
3.2.3. Двухчастотный гелий-неоновый лазер. 98
3.3. Фазово-растровый дилатометр. 100
3.4. Устройство для фазово-растрового контроля оптических капилляров . 108
3.5. Устройства для контроля прочностных свойств покрытий из силикатных материалов. 111
3.6. Выводы. 117
4. Методика контроля изделий из силикатов . 118
4.1. Особенности методики фазово-растрового контроля. 118
4.2. Анализ погрешностей фазово-растрового метода контроля. 120
4.3. Методика настройки оптических схем фазово-растрового контроля. 124
4.4. Методика контроля формирование высоко температурных покрытий. 129
4.5. Экспериментальное сравнение телевизионного и фазово-растрового метода контроля формирования силикатных покрытий . 134
4.6. Методика контроля оптических капилляров. 142
4.7. Методика контроля механико-прочностных свойств покрытий. 146
4.8. Автоматизация фазового измерения фазово-растрового метода. 149
4.9. Методика расчета комплекса свойств силикатных материалов с различной гетерогенной структурой. 163
4.10. Технико-экономическая эффективность фазово-растрового метода контроля. 168
4.11. Перспективы развития и области применения фазово-растрового метода при контроле других материалов и изделий. 169
5. Основные результаты работы. 170
6. Литература.
- Анализ используемых методов контроля силикатных материалов
- Математическая модель фазово-растрового метода контроля
- Устройство для фазово-растрового контроля оптических капилляров
- Экспериментальное сравнение телевизионного и фазово-растрового метода контроля формирования силикатных покрытий
Введение к работе
Силикатные материалы используются достаточно широко и с очень давних времен [I], что определяется широким спектром их полезных физико-химических свойств [2,3], в некоторых случаях совершенно уникальных. С другой стороны сырье для производства силикатных материалов является весьма доступным, а его запасы в природе практически неограниченны [4]. Совершенно очевидно, что в целом ряде случаев без силикатных материалов человек не может обойтись. В других случаях -на основе материалов из силикатных материалов удается получать совершенно новые виды уникальных по своим свойствам высокоточные изделия, например микроканальные пластины, пористые стекла, причем их себестоимость является весьма низкой и определяется только технологией их производства, которая также является достаточно простой. Известно, что достаточно часто экономически целесообразно использование силикатных материалов в виде покрытий (слоистая композиция) на некоторые другие конструкционные материалы, что позволяет получить изделия на известных материалах, например нержавеющая сталь, с требуемыми дополнительными свойствами (например, изоляционными). Это в свою очередь позволяет сочетать в одном изделии дополнительно целый ряд различных физико-механических свойств.
Все эти материалы все более используются во многих современных отраслях машиностроении, приборостроении и микроэлектроники, являющихся частью высокие технологии, и обладают в первую очередь самой высокой экономической эффективностью.
В основе получения силикатных материалов и изделий на их основе, состоящих изначально из композиции стеклообразующих окислов [5], лежат высокотемпературные технологические процессы, которые формируют достаточно сложную внутреннюю структуру самого материалов, в том числе микро неоднородную [6] и их конечные физические свойства в конечном итоге. В большинстве случаев, исходя из экономических соображений, формирование химической структуры и геометрической формы конечного изделия производят в едином технологическом процессе без последующей механической или иной обработки. Это также относится к получению силикатным покрытиям. Использование дополнительной механической обработки оправдано только для высокоточных оптических изделий, например деталей оптических приборов, так как неизбежно приводит к удорожанию изделия по отношению к стоимости исходного сырья.
Хотя история развития человеческого общества тесно переплетена с использованием силикатов, научный подход к изучению этих соединений сформировался относительно поздно - в конце XVIII - начале XIX столетия вместе со становлением химической науки [7]. Это связано со
сложностью строения, вариациями химического состава, нерастворимостью и химической пассивностью, способностью к переходу в нестабильные состояния и высокой температурой плавления [8].
Очевидно, что количество комбинаций по составу и соотношению стеклообразующих окислов входящих с состав силикатного материала может быть неисчислимо огромным, также велико количество возможностей задание температурных параметров технологического цикла, т.е. температурно-временных условий его получения. Поэтому только путем глубокого научного изучения силикатных материалов, которое проводится во многих странах, неизбежно приводит к успешному созданию новых требуемых материалов и технологий [9].
В настоящее время стало привычным и массовым использование высоких технологий, например в средствах связи, микроэлектроники, машиностроении, медицине и др., где идет непрерывная тенденция совершенствование технологических процессов в плане повышения качества и экономичности высокоточных изделий, замене дорогостоящего сырья более дешевым и доступным. Все это приводит к дальнейшему увеличению использование материалов на основе силикатов.
В целом наши знания о силикатном материале опираются, с одной стороны, на знание о химической и фазовой структуры материала [10] (в том числе геометрии взаимного расположения фаз), с другой - на физических свойствах материала.
Совершенно очевидно, что любое производство опирается с одной стороны на контроль технологического процесса, с другой на контроль качества получаемого изделия. Издавна для лабораторного изучения силикатных материалов использовались самые современные методы и средства контроля, такие как электронная микроскопия, рентгеноскопия; для контроля геометрических параметров конечного изделия средства оптической микроскопии; для контроля дефектов средства контроля на основе акустических методов. Изначально специфической особенностью изделий из силикатов является их внутренняя гетерогенная структура, а также наличие оптических свойств самого материала изделия.
В целом, как уже понятно, задачи контроля для изделий из силикатных материалов можно разделить на следующие виды:
контроль физико-химической структуры, определяющей физические и химические свойства изделия;
контроль геометрии и формы изделия, как в процессе технологического цикла, так и в конечном виде.
По типу производимый контроль можно разделить на технологический, когда производится контроль тех или иных параметров в технологическом процессе, и конечный контроль полученного материала или изделия.
Первая задача связана с заданием параметров технологического цикла, в то время как технологический цикл, в свою очередь определяет также конечные физико-химические свойства и геометрические параметры получаемого изделия. Приведем пример производства некоторого силикатного покрытия, используемого как электрический изолятор. Для получения покрытия с заданным физическим свойством необходимо задать толщину, дисперсность порошкового слоя, состав, а также температуру и время обработки. Для заданных параметров из исходного порошкового материала формируется слой покрытия определенной толщины. Изменение технологического цикла ведет к изменению физического свойства и получаемой толщине покрытия. Изменение исходного порошкового слоя также ведет к изменению толщины и свойства, влияя на технологические параметры цикла. Также имеется ограничение по толщине исходного порошкового слоя для получения бездефектного слоя покрытия, кроме того, для получения необходимого качества требуется нанесение нескольких слоев. Промежуточный контроль толщины слоев позволяет корректировать нанесение последующих слоев. Из приведенного примера видно, что качество изделия сопровождается наличием различных средств контроля, обеспечивающих весь технологический цикл производимого изделия.
Однако можно отметить, что непрерывный контроль формоизменения силикатных изделий в процессе их производства в силу указанных специфических особенностей до настоящего времени не является полностью решенной задачей. При этом наиболее целесообразным следует видеть задачу создания средств контроля не прерывающих технологического цикла производства, легко встраиваемых в технологическое оборудование и универсально перестраиваемых на различные объекты контроля.
Также для научно-исследовательских целей по изучению процесса формирования силикатных материалов в процессе технологического цикла их производства особое место занимают системы контроля, которые имеют в своей основе целый ряд специфических особенностей. Первой особенностью является воздействие на систему контроля внешних факторов, связанных с положением объекта контроля в процессе производства. Второй особенность связана с оптическими свойствами объекта контроля, которая создает трудности использования наиболее распространенных средств оптического контроля геометрических параметров изделий. Третьей особенностью является условия высокотемпературной зоны технологического процесса, переход которой к низкотемпературной зоне контроля искажает оптическое изображение объекта контроля.
В силу вышеизложенного можно определенно считать, что требуется совершенствовать методы контроля в технологическом процессе производства изделий из силикатов, которое приведет к повышение качества
производимых силикатных изделий с заданным комплексом физических свойств с одной стороны, с другой совершенствование методики расчета требуемого набора физико-механических свойств как функции их гетерогенной структуры.
Для этого необходимо в первую очередь решить следующие задачи:
получение аналитических зависимостей для определения тангенса угла диэлектрических потерь материалов из силикатов с гетерогенной структурой;
разработка методики расчета требуемого набора физико-механических свойств как функции их гетерогенной структуры;
создание автоматизированного программного комплекса расчета и моделирования свойств материалов из силикатов;
разработка методики автоматизированного оптического контроля толщины силикатных покрытий, в процессе их высокотемпературного формирования;
разработка методики автоматизированного оптического контроля геометрической формы оптических капилляров (внутреннего диаметра) в технологическом процессе;
разработка программных объектов, эффективно реализующих указанные методы и свойства контроля и обеспечивающих возможность управления технологическими процессами;
разработка методики построения виртуальных измерительного приборов на основе системы программирования Lab VIEW, реализующего автоматизированный контроль указанных изделий в условиях технологического процесса.
Решение этих задач позволит в первую очередь, зная физико-химические законы получения структуры силикатных материалов, производить оценку комплекса физических свойств этого материала, во вторую - пополнять наши экспериментальные знания о законах формирования силикатных материалов. Все это приведет к созданию наиболее экономически выгодных технологических процессов получения качественных изделий из силикатов.
Анализ используемых методов контроля силикатных материалов
Несомненно, что особое внимание заслуживают оптические методы, которые издавна используются как средства контроля во всех отраслях науки и техники, как в сочетании с оптическим зрением человека, так и с различными средствами регистрации изображения, которые в настоящее время также позволяют полностью автоматизировать процесс контроля. Высокая точность оптических методов может быть достигнута, в конечном счете, за счет метрологических свойств длины волны света [36].
Широкое распространение оптических методов контроля геометрических параметров формы связано, в первую очередь, с широким кругом решаемых задач и универсальностью применения во всех отраслях науки и техники. Оптические методы контроля позволяют решать задачи не-разрушающего контроля качества изделий, а также осуществлять контроль геометрических параметров формы. Имеются также широкие возможности для контроля физических свойств (механико-прочностные, реологические, внутренней микроструктуры, дефектов и др.) изделий и материалов, в том числе композиционных. Во многих случаях оптические методы дают возможность осуществить в сочетании с электронными системами регистрации автоматическую обработку информации, а также в комплексе с PC решать задачу управления параметрами технологического цикла производства изделий.
Все указанные преимущества оптических методов делают их также незаменимыми для контроля различных изделий из силикатов, несмотря на некоторые существующие трудности, связанные с наличием собственных оптических свойств у силикатных материалов.
В настоящее время существует достаточное число оптических методов контроля: механический; нивелирования; формирования оптического изображения [32]; интерференционный [37]; муара [38]; лазерного сканирования [39]; лазерной интерферометрии [40]; топографический [41, 42]; спеклов [43, 44]; проекции интерференционных полос [45]; Физо [46], с наклонным падением оптического пучка; методы, основанные на применении лазеров, работающих на волнах разной длины, и др. Все эти методы можно качественно и количественно сопоставить с задачами не-разрушающего контроля [47] (чистота обработки, локальные дефекты, плоскостность, прямолинейность, форма, деформация и колебания, смещения) в зависимости от параметров поверхности, геометрии и размера контролируемых изделий.
К наиболее распространенным и широко используемым оптическим методом контроля, как уже говорилось ранее, относятся методы оптической микроскопии [32], позволяющие производить контроль линейных размеров, шероховатости, формы изделий. Разрешающая способность микроскопа характеризуется величиной, обратной линейному пределу разрешения. Согласно дифракционной теории Аббе [48] линейный предел разрешения микроскопа, т.е. минимальное расстояние между точками объекта, которые изображаются как раздельные: 8 = Л./2А , A = ns mcrA, (1.60) где X - используемая длина волны света, А- числовая апертура. Наряду с оптическими отображающими системами (таких как микроскопы) и сочетаниями их с электронными регистрирующими схемами, включая телевизионные системы регистрации, в отдельную группу можно выделить когерентные оптические методы контроля [39] и устройства на их основе: триангуляционный, теневой, точной фокусировки, интерференционный, голографический [49]. Высокую чувствительность и точность, правда, в узком диапазоне измерения, позволяют получить дифракционные и интерференционные методы и схемы [50], аналогом которых для диффузно отражающих и фазовых объектов являются методы голографической интерферометрии [41,42,49,51], а также методы, основанные на голографической интенсивности (хаотической интерференции на ограниченной апертуре): спекл-фотография, спекл-интерферометрия [41-44,52].
Высокая чувствительность к смещениям, поворотам, деформациям реализуется также муаровыми методами [38,53,54], использование муара второго порядка позволяет снизить пространственную частоту первичных полос и осуществить дифференциальное определение деформаций (частных производных). Одним из класса муаровых методов для определения контуров рельефа, деформаций и амплитуды вибраций является также метод проекции полос [45].
Возможность оптической записи состояния объекта набором амплитудных или фазовых дифракционных решеток (растров) на различные носителе высокого разрешения [55] (более 600 лин/мм) определило принципы голографии [56]. Это достигается путем интерференции получаемого волнового фронта от исследуемого объекта с некоторым опорным волновым фронтом в плоскости регистратора [57] (рис. 9). Исходное мнимое или реальное состояние объекта может быть получено например дифракцией используемого при записи голограммы опорного волнового фронта. (рис.9б,в). Обычно в голографической интерферометрии используют вне осевые голограммы, записанные по методу Лейта и Упатниекса [57]. Их схема позволяет пространственно разделить три волны, возникающие при дифракции в процессе восстановления. Она основана на общеизвестном в теории связи способе кодирования и декодирования сигналов с помощью их модуляции высокочастотной несущей волной, с той лишь разницей, что имеется в виду пространственные частоты изображения.
Голографическая интерферометрия является во многих случаях эффективным и единственно возможным методом неразрушающего контроля изделий. Этот факт определяется следующими ее основными свойствами: 1. Высокая информативность; 2. Разделение амплитуды во времени; 3. Непрерывная запись событий; 4. Временная фильтрация.
Информативность голограммы настолько высока, что обеспечивает запись и восстановление с высокой достоверностью тонких деталей световой волны сложной формы. В голографической интерферометрии амплитуда делится во времени; это означает, что образующие интерферо-грамму волны проходят по одному и тому же пути в пространстве, но в различные моменты времени.
Для получения голограмм, однако, имеются требования к когерентности используемого источника света с одной стороны [56], с другой достаточно жесткие требования к смещениям оптических элементов за время регистрации голограммы - менее Л/
Математическая модель фазово-растрового метода контроля
В большинстве практических случаях критерии задаваемого качества изделий могут быть описаны некоторым комплексом его параметров {pj с их допустимыми пределами {А}:
В дальнейшем должна решаться задача поиска средств и разработки методики контроля этих параметров с целью обеспечения заданного качества изделия [76]. Решение такой задачи контроля заданных параметров практически всегда не адекватно ее первоначальной постановки: Р = {/ ,,Д у}"ж1,(/ , А)(А А,) 2-9)
При этом сохранение исходного критерия качества изделия приводит к переоценке комплекса допусков на контролируемые параметры в направлении их ужесточения, что неизбежно приводит к снижению его технологичности.
Можно сказать, что на практике процесс контроля чаще всего связан с множественными операциями, которые являются весьма трудоемкими и самым нетехнологичным звеном производственного процесса и не всегда позволяют эффективно автоматизировать процесс контроля.
Возможно, что более логичным является, когда контроль качества изделия осуществляется не по какой то определенной величине одного параметра, а по некоторым комплексным критериям: Щ=Шд- (2-Ю)
Такие контролируемые критерии являются аналогом аппаратной части используемых средств контроля и могут быть заранее функционально сконструированы в некотором классе. Как будет показано ниже, другой важной особенностью такого подхода является возможность иметь в критерии временную координату, обеспечивающую усредняющее воздействие внешних факторов. Существенно важным является также том момент что выбранные критерии, являясь функциональным аналогом аппаратной части измерительной системы контроля, значительно упрощают задачу автоматизации процесса контроля, в том числе на основе построения систем виртуальных приборов [77]. Такой подход в свою очередь представляет собой в определенном смысле современную тенденцию модульного аппаратного программирования различных устройств (идеология фирмы National Instruments): от реального комплексного прибора к виртуальному (программному) и обратно к реальному прибору реализующему алгоритм виртуального. Причем обратный возврат к реальному прибору осуществляется с более высокой технико-экономической эффективностью.
Измерительный процесс приобретает реальный смысл, когда в его результате мы получаем некоторую величину сопоставимую с некоторым заранее установленным эталоном [46,78]. Чтобы осуществить процесс измерения в любом случае нам необходимо воздействие на контролируемый объект некоторой материальной субстанцией. В ряде случаев таким воздействием пренебрегают ввиду его исчезающей малости, в других этого делать нельзя, например, в случае измерения температуры объекта прилагаемой термопарой, которая сама вносит изменение в месте контакта. Говорить о факте воздействующей субстанции в процессе измерительного процесса необходимо, когда мы хотим определить предел достигаемой точности или имеем дело с неизбежным воздействием внешних факторов.
Повышение точности в технологических системах контроля, где контролируемое изделие не представляется возможным изолировать от внешних воздействий, требует учета и анализа всех типов внешних воздействующих факторов. Поэтому сначала следует детерминировать некоторые вопросы, относящиеся к самому измерительному процессу. Так геометрические характеристики формы, формоизменения во времени и деформаций [74], равно как и физико-механические свойства, реологические параметры объекта в общем случае по отношению к процессу измерения определяются при воздействии на контролируемый объект материальных полей двух типов (рис.1 За): заданные силовые поля {F,(r)}"=1 (тепловые, электрические, магнитные, силовые и др.) и силовые поля внешних условий \Fj(r)}m , которые задают и определяют условия испытания и проявление необходимых свойств контролируемого объекта; информационные поля, которыми воздействуют на контролируемый объект P(r), могут быть той же физической природы (тепловое, электрическое, магнитное, электромагнитное, а также световое, силовое, ультразвуковое и др.) необходимы в процессе контроля для определения измеряемых параметров.
Фазово-растровый (ФР) метод контроля может обеспечивать значительно более высокую точность контроля, в том числе в условиях технологического цикла, с одной стороны, с другой является идеальной базой построения общей автоматизированной системы контроля с обратной связью воздействия на технологический процесс.
Таким образом, процесс измерения осуществляется путем воздействия на объект контроля заданным информационным полем, которое структурно преобразуется объектом в соответствии с его свойствами и параметрами, а также имеющимися силовыми полями (заданными Fj(r) и обусловленными внешними условиями): j S{r) = 0 F \P(r)}. (2.11)
Квантовая структура информационного поля, в частности оптического [73,79], для конкретного воздействия на контролируемый объект (например, состояние и площадь поверхности, время воздействия), как и сам объект, теоретически ограничивает предельную точность измерения. Чаще же на практике как предельное ограничение метода измерения рассматривают шум информационного поля или шум регистратора, что соответствует прямому методу измерения (рисЛЗа), например измерения, основанного на сравнении измеряемого параметра с некоторой «линейкой». В частности для оптических методов известны схемы, для особых условий проведения измерения и специальной обработки результатов, позволяющие получить практически предельную точность для геометрии и ориентации объекта [46,80].
Для контроля параметров геометрической формы изделий вполне достаточно задания одного воздействия информационного поля. В то время как, для контроля формоизменения или физико-механических свойств объектов (а реологические параметры, включая дефекты, зависят от локальных свойств, таких как теплопроводность, электропроводность, диэлектрическая и магнитная проницаемость, диффузия, модуль Юнга, вязкость и др.), требуется задание также некоторых других сило вых полей (FHFJ)- Некоторые контролируемые физические свойства (табл.1), определяются из транспортных процессов силовых полей, которые могут быть объединены термином проводимость [18]. Математически, как это уже говорилось в главе 1.2, эти процессы описывается уравнением типа переноса: F,=AFj, (2.12) где Л - коэффициент обобщенной проводимости (КОП). Для определения Л требуется задание необходимых транспортных силовых полей Ft и Fj- Силовые поля могут быть также условиями протекания технологического процесса (например, высокотемпературная обработка изделий), а результат воздействия также является объектом контроля (температурное поле). В этом случае силовое поле приобретает смысл информационного поля.
Приведем один пример. При определении разрушения объекта методом акустической эмиссии [81] используется механически прилагаемое силовое поле (Fj), часть энергии которого преобразуется в акустическую волну (информационное поле Р(г), вызывающее колебания поверхности контролируемого объекта. Поле Р(г) может быть зарегистрировано, например, наложением когерентного оптического поля (информационного) на жестко связанное с поверхностью объекта зеркало, являющееся частью резонатора. Вся система образует Не—Ne лазер, усиление и формирование выходного информационного поля S (г) осуществляется на основе эффекта конкуренции мод в активной среде с резонатором, которое регистрируется фотоприемником (чувствительность к смещениям поверхности составляет 10"1 м). Из приведенного примера можно видеть, что для получения предельной чувствительности контроля необходимо использовать достаточно мощный оптический рычаг. Однако в условиях технологического контроля в большей степени на точность измерительного процесса накладывают условия воздействия иных силовых и информационных полей, которые становятся неотъемлемой частью условий проведения измерительного процесса.
Устройство для фазово-растрового контроля оптических капилляров
Для контроля механико-прочностных свойств покрытий разработаны два типа устройств дополнительно к стандартной установке и существующей методики испытаний [101,102]. Первое устройство непосредственно предназначено для регистрации голографических или спекл-интерферограмм на фотопластинки по методу двух экспозиций совместно со стандартной разрывной машиной для плоских образцов [101] (рис.39). Второе устройство (рис.40), работающее независимо от регистрирующего устройства и соответственно от установки испытания, предназначено для расшифровки полученных, тем или иным способом, голо-графических или спекл интерферограмм.
Оба устройства являются функционально законченными встраиваемыми устройствами используемыми независимо друг от друга, реализуя тем самым два этапа проведения контроля: регистрация деформаций; расшифровка интерферограмм. Так устройство регистрации может быть использовано регистрации как спекл фотографий, так и голограмм во встречных пучках не только совместно с разрывной машиной, дающей продольную нагрузку, но также в устройствах другого способа нагрузки исследуемого образца [103].
Оптическая схема регистрации двух экспозиционных спекл фотографий и голограмм исследуемого образца (рис.39) состоит из осветительного устройства и непосредственно оптической схемы регистрации на фотопластинку, которая может быть настроена на регистрацию как спекл фотографии поверхности образца (рис.39а), так и голограммы поверхности во встречных пучках (рис.396). Обе части оптической схемы выполнены механически жестко, с последующим креплением на устройстве держателя образца, что обеспечивает необходимые условия виброизоляции регистрирующего устройства.
Осветительное устройство включает в себя He-Ne лазер 1, типичную схему расширения его пучка лучей телескопического типа, состоящего из микро объектива 2, в фокусе которого расположена точечная диафрагма 3 (фильтр пространственных мод, компенсирующий аберрации микро объектива 2), и коллимирующего длиннофокусного объектива 4. Требуемое для освещения всей поверхности образца расширение пучка лучей достигается подбором фокусных расстояний телескопической системы f\lf\ с учетом 30%-50% запаса, обеспечивающего равномерную освещенность поверхности образца с одной стороны, с другой - минимума потери интенсивности пучка лучей освещающего лазера.
Следует учитывать, что для фото регистрации на голографическую фотопластинку (типа ПЭ-2, ЛОИ-2) большой поверхности образца требуется достаточная освещенность и время экспозиции, в то же время обеспечение максимальной вибро изоляции исполняемого блока кон-сольно закрепляемого на установке накладывает условие использования минимального размера и веса головки He-Ne лазера. Имеющиеся He-Ne одномодовые одночастотные лазеры мощностью 50 мВт очевидно использовать нельзя, поэтому мы остановили свой выбор на лазере мощностью 10 мВт. При этом приходится увеличить время экспозиции до десятка секунд. Дополнительно также приходилось сенсибилизировать фоточувствительный слой фотопластинок до начала их использования, повышая в 2-3 раза фото чувствительность, а также снимая напряжения в эмулсии фотослоя.
Схема регистрации деформаций образцов по методу двух экспозиций: а). Регистрация спекл фотографии образца; б). Регистрация голограммы во встречных пучках. 1- He-Ne лазер; 2- микро объектив телескопа; 3- точечная диафрагма;-?- объектив телескопа; 5- свето защитный экран; 6- цилиндрический объектив; 7,8- зеркала; 9- образец; 10 нижний держатель образца; //- верхний держатель образца; 12- разрывная машина; 13- объектив; 14- двух щелевая диафрагма; 15- свето защитный экран; 16- голо графическая фотопластинка; 17- держатель фотопластинки; 18- устройство вертикального перемещения фотопластинки; 19- электрический фото затвор; 20- экран; 21- реле времени; 22- шторка.
Выбор оптимального соотношения удовлетворения требуемых условий приводит к выбору микрообъектива 10х, 20х с фокусным расстоянием 2.5 мм, а в качестве коллимирующего объектива - склейку с фокусным расстоянием 50 мм. Дополнительно с целью повышения освещенности поверхности образца имеющего форму пластинки с схеме регистрации спекл фотографий, где отсутствует требования к пространственной структуре волнового фронта, использовалась цилиндрическая линза 6, расположенная после телескопической системы.
Схема фото регистрации спекл фотографии (рис.39я) образцов 10 испытываемых на стандартной разрывной машине 11, 12 включает описанную выше систему когерентного освещения которая под некоторым углом, определяемого конструктивными соображениями посредством зеркальной системы 7, 8 освещающей образец, проектирующего объектива 13, двух щелевой диафрагмы 14, голографической фотопластинки 16, закрепленной в держателя голограмм 77 с устройством ее смещения на некоторую величину между экспозициями в вертикальном направлении 18. Эта часть устройства (блок фото регистрации) также жестко закрепляется в нижней части держателя образца 10 разрывной машины 12. Для предотвращения оптической засветки фотопластинки блок регистрации и осветительное устройство имеют свето защитные кожухи 5, 15. Требуемая экспозиция фотопластинки осуществляется электромеханическим фото затвором 19, 20, реле времени 21. Механическая шторка -затвор 22, дополнительно предотвращает паразитную засветку в подготовительных промежутках времени. В данной конфигурации схема устройства позволяет производить регистрацию спекл интерферограмм по методу двух экспозиций с маскирующей диафрагмой, которые могут быть обработаны соответствующим устройством, в том числе реализующими ФР метод.
Небольшие изменения в блоке регистрации в рамках данного устройства (рис.396) позволяют создать устройство для регистрации интерференционных голограмм во встречных пучках по схеме Денисюка. Такие голографические интерферограммы позволяют определять нормальные смещения. В такой схеме осветительное устройство разворачивается до положения, обеспечивающее нормально освещения фотопластинки, а держатель голограммы 77 с фотопластинкой закрепляются непосредственно на нижнем держателе со стороны освещения и непосредственной близости к нему. Освещающий плоскопараллельный пучок лучей проходит сквозь эмульсию фотопластинки 16, создавая опорную волу, затем диффузно отражается от поверхности образца 9 снова попадает на эмульсию фотопластинки 16. Для большинства силикатных покрытий имеет место малый коэффициент отражения поверхности для длины волны гелий-неонового лазера (Л=0.63 мкм), поэтому для повышения коэффициента отражения поверхности на нее предварительно наносится алюминиевая мелкодисперсная пудра. Данный способ оптической подготовки поверхности образца также эффективен и для регистрации спекл- фотографий, кроме этого в этом случае не следует учитывать оптическое проникновение лучей за поверхность образца.
Экспериментальное сравнение телевизионного и фазово-растрового метода контроля формирования силикатных покрытий
Далее проведено сравнение методики контроля процесса формирования высокотемпературных силикатных покрытий [11] на базе рассмотренной выше автоматизированной системы телевизионного нагревательного микроскопа [106,107], выполненного на базе оптической нагревательной ячейки, которая была дополнена телевизионной системой регистрации с автоматизированной системой обработки видеосигнала с одной стороны, с другой - разработанным нами ФР дилатометром [100] с электромеханическим цилиндрическим растровым модулятором и с разработанной нами для него нагревательной ячейкой вертикального типа (рис.34).
Как указывалось ранее (гл. 1.2), формирование высокотемпературных порошково-обжиговых покрытий представляет собой сложный физико-химический процесс, в течение которого происходит изменение внешней геометрии порошкового слоя, а также изменение в структурных параметрах самого материала. В то же время любой оптический контроль, изменения геометрии силикатного порошкового слоя в процессе его высокотемпературного формирования оптическими методами (кроме теневого) осложняется с одной стороны - наличием оптических свойств самого формируемого материала с гетерогенной изменяемой структурой оптически прозрачных фаз, с другой - влиянием случайного градиента показателя преломления окружающей среды и оптических элементов в зоне перехода от зоны высокотемпературного формирования до низкотемпературной зоны контроля.
Метод контроля оптического теневого изображения слоя формируемого покрытия не столь подвержен влиянию внутренней гетерогенной структуры контролируемого материала и наличием у него оптических свойств, однако, имеет существенное ограничение в точности и информативности контроля. Использование оптического метода основанного на триангуляции световых реперных меток формируемых на поверхности покрытия совместно с фазовым методом [96] позволяет достичь более высокой чувствительности измерений, однако влияние структуры материала и его оптические свойства может оказывать существенное влияние на систематическую погрешность контроля.
Используемая нами до этого схема высокотемпературного нагревательного микроскопа построена по принципу наблюдения теневого профиля формируемого покрытия (рис.7, рис.44), поэтому несмотря на ограниченную точность была выбрана в качестве базовой схемы сравнения.
Параллельно проводились аналогичные эксперименты по контролю формирования покрытия на установке ФР дилатометра [11], оптическая схема которого представлена на рис.5 с оптической нагревательной ячейкой вертикального типа, конструкция которой представленной на рис.6.
Имелся ряд принципиальных отличий условий температурной нагрузки исследуемых образцов в телевизионной установке и установке ФР контроля, связанных в первую очередь с различиями в конструкции оптических нагревательных ячеек: ячейка в нагревательном микроскопе была более инерционна, кроме того она имела платиновый нагреватель, который в силу изменения электрического сопротивления платины от температуры в несколько раз, требовал дополнительного автотрансформатора и ручного управления поднятия напряжения на управляющем блоке тиристоров (изменение напряжения начиналось от 10 до 220 В -1200С). Нагревательная ячейка в ФР дилатометре (рис.6) имела внутренний кварцевый стакан, расположенного внутри нержавеющего корпуса с нихромовым нагревателем и отделенный от него вакуумной оболочкой. Выбор такой конструкции был продиктован, стремлением обеспечить квази стационарный температурный режим в зоне образца, при этом достигалась малая тепловая инерционность, Температурный режим ячейки автоматически управлялся по заданной программе стандартной тиристорной схемой во всем рабочем диапазоне температур.
В силу низкой тепловой инерционности такая нагревательная ячейка автоматически поддерживала точную временную программу эксперимента, и квази стационарный температурный режим в нагреваемом воздушном объеме при выборе невысоких скоростей нагрева. Однако, в силу ее низкой тепловой инерционности температурный градиент был выше и условия в оптическом смысле оказались более худшими, чем в нагревательном микроскопе, так при температурах более 600С наблюдать четкого изображения образца, как в нагревательном микроскопе не удавалось.
Тем не менее, при конечных температурах эксперимента (800 -1000С) нестабильность фазовых показаний (постоянная и случайная составляющие) по световым реперным меткам за время контроля 0,1-0,5 с превышала всего в два - три раза измерения без температурной нагрузки. Учитывая, что при этом чувствительность измерений превышает в 10-20 раз по методу нагревательного микроскопа, преимущество ФР контроля остается бесспорным.
В основе методики ФР контроля оптической схемы ФР контроля так же как и в других оптических схемах контроля геометрических размеров можно выделить ряд необходимых этапов: а). Настройка параметров оптической схемы устройства контроля; б). Калибровка измерительного процесса; в). Проведения самого процесса технологического контроля; г). Сравнение результатов проведенного контроля с эталоном, т.е. с результатом контроля полученного другим методом.
Первая стадия по настройке параметров оптической схемы ФР дилатометра производилась нами однократно для всей серии однотипных образцов с целью обеспечения требуемого диапазона измерений, а также выбранной чувствительности схемы. Это операция включала в себя: настройку осветительного устройства 2 (рис.5), формирующего две световые реперные метки на поверхности образца Mj и М2 минимального размера на заданном расстоянии по высоте Н0, базовой длине Do и углу визирования а к поверхности (Nt, N2); настройку проектирующих объективов 10, 11 для обеспечения требуемого линейного увеличения /3 и угла визирования а .
Следующим обязательным этапом подготовки к измерениям ФР методом является процедура калибровки оптической схемы устройства с одной стороны, с другой контролируемого размера для реального объекта, которая в частности для силикатных материалов имеет ряд специфических особенностей. Процедуру калибровки соответственно этому будем производить в два этапа. Первый этап производится без нагревательной ячейки и реального образца специальным калибровочным приспособлением, выполненным на базе механического винтового микрометра, перемещающим вертикально половину образца со второй репер-ной меткой. Целью данного вида калибровки является получение зависимости калибровочного критерия /З/sina от величины высоты ступени (толщины). В этот критерий также будет входить функция линеаризации поверхности цилиндрического растра в плоскости изображений, как в случае наличия цилиндрического объектива, так и при его отсутствии.
Вторым этапом является калибровка измеряемого размера для реального образца и процесса высокотемпературного формирования силикатного покрытия. Однако следует учитывать, что до начала эксперимента невозможно достаточно точно определить толщину, ввиду низкой механической прочности порошкового материала, из которого формируется покрытие, а также локальной разнотолщинности порошкового слоя; по окончанию эксперимента (формирования покрытия) на образцах малого размера также получается покрытие выпуклой формы, для которой определить с высокой точностью высоту в месте локализации световой реперной метки в момент проведения контроля также весьма затруднительно.
