RU223337U1 - DEVICE FOR ACTIVE THERMOGRAPHIC NON-DESTRUCTIVE TESTING OF COMPOSITE AIRCRAFT STRUCTURES - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области неразрушающего контроля, в частности к одностороннему контролю методом активной инфракрасной термографии, и может быть использована для повышения надежности диагностики при ручном и автоматизированном контроле композитных материалов и конструкций. Устройство содержит нагреватели для нагрева исследуемого объекта, тепловизор, устройство управления, поляризационные оптические фильтры, защитный кожух, вентиляторы, не менее одной фиксирующей опоры для стабилизации устройства. В качестве нагревателей задействованы галогеновые лампы, поляризационные фильтры используются для снижения бликов и паразитных шумов, возникающих от контролируемых гладких поверхностей с минимальной шероховатостью. Кроме того, в целях снижения шумов использован защитный кожух. Технический результат - повышение быстродействия и точности.

The utility model relates to the field of non-destructive testing, in particular to unilateral testing using the method of active infrared thermography, and can be used to increase the reliability of diagnostics during manual and automated testing of composite materials and structures. The device contains heaters for heating the object under study, a thermal imager, a control device, polarizing optical filters, a protective casing, fans, and at least one fixing support for stabilizing the device. Halogen lamps are used as heaters, polarizing filters are used to reduce glare and stray noise arising from controlled smooth surfaces with minimal roughness. In addition, a protective casing is used to reduce noise. The technical result is increased speed and accuracy.

Description

Полезная модель относится к области неразрушающего контроля, в частности к одностороннему контролю методом активной инфракрасной термографии и может быть использована для повышения надежности диагностики при ручном и автоматизированном контроле композитных материалов и конструкций. Устройство содержит нагреватели для нагрева исследуемого объекта, тепловизор, устройство управления, поляризационные оптические фильтры, защитный кожух, вентиляторы, не менее одной фиксирующей опоры для стабилизации устройства. В качестве нагревателей задействованы галогеновые лампы, поляризационные фильтры используются для снижения бликов и паразитных шумов, возникающих от контролируемых гладких поверхностей с минимальной шероховатостью. Кроме того, в целях снижения шумов использован защитный кожух. Технический результат - повышение быстродействия и точности.The utility model relates to the field of non-destructive testing, in particular to unilateral testing by the method of active infrared thermography and can be used to increase the reliability of diagnostics during manual and automated testing of composite materials and structures. The device contains heaters for heating the object under study, a thermal imager, a control device, polarizing optical filters, a protective casing, fans, and at least one fixing support for stabilizing the device. Halogen lamps are used as heaters, polarizing filters are used to reduce glare and stray noise arising from controlled smooth surfaces with minimal roughness. In addition, a protective casing is used to reduce noise. The technical result is increased speed and accuracy.

Неразрушающий контроль изделий с использованием активной инфракрасной термографии является универсальным методом неразрушающего контроля, который опирается на временные измерения теплопередачи от контролируемого объекта с целью получения информации о структуре и целостности такого объекта. Получаемый от исследуемого объекта тепловой поток не зависит от микроструктуры, анизотропии акустических свойств и монокристаллических ориентаций материала объекта, поэтому инфракрасный термографический анализ свободен от ограничений, создаваемых ультразвуковыми измерениями. Кроме того, инфракрасная термография носит бесконтактный удаленный характер и не зависит от размеров, контуров или форм контролируемого объекта и осуществляется в несколько раз быстрее, чем позволяет большинство ультразвуковых методов, особенно при контроле объектов с большой площадью поверхности.Non-destructive testing of products using active infrared thermography is a universal non-destructive testing method that relies on time-based measurements of heat transfer from an inspected object in order to obtain information about the structure and integrity of such an object. The heat flux obtained from the object under study does not depend on the microstructure, anisotropy of acoustic properties and single-crystal orientations of the object's material, therefore infrared thermographic analysis is free from the limitations created by ultrasonic measurements. In addition, infrared thermography is non-contact and remote in nature and does not depend on the size, contours or shapes of the object being monitored and is carried out several times faster than most ultrasonic methods, especially when monitoring objects with a large surface area.

Из области техники известен тепловой дефектоскоп для активного теплового неразрушающего контроля объектов (RU144096, 10.08.2014), содержащий воздушные нагреватели для тепловой стимуляции контролируемого объекта, включающие электрические резистивные элементы и вентиляторы, а также тепловизор, соединенные с компьютером, управляющим процессом нагрева и записи термограмм. Недостатком устройства является громоздкость и, соответственно, неудобство его использования при проведении регулярного технического обслуживания воздушных судов, особенно в стесненных условиях летных ангаров. Кроме того, шум, создаваемый устройством, затрудняет возможности выполнения других контрольных процедур, параллельно проводимых в рамках инспекции конкретного воздушного судна в данный конкретно отведенный временной интервал.A thermal flaw detector for active thermal non-destructive testing of objects is known from the field of technology (RU144096, 08/10/2014), containing air heaters for thermal stimulation of the controlled object, including electrical resistive elements and fans, as well as a thermal imager connected to a computer that controls the heating process and recording of thermograms . The disadvantage of the device is its bulkiness and, accordingly, the inconvenience of its use during regular aircraft maintenance, especially in cramped conditions of flight hangars. In addition, the noise generated by the device interferes with the ability to perform other control procedures carried out simultaneously as part of the inspection of a specific aircraft in a given specific time interval.

Известно изобретение (RU2755564, 17.09.2021), содержащее осветительное устройство, воздействующее излучением на исследуемую деталь, и сопряженный с ним фотодатчик, генерирующий электрический сигнал, блок преобразования этого сигнала и блок управления и оценки качества заданного набора локальных зон. Используются осветители из набора светодиодов или полупроводниковых лазеров с оптоволоконным выходом излучения, воздействующих импульсно на поверхность исследуемой детали с контролем освещенности посредством первой видеокамеры. Осветители сопряжены с устройствами их позиционирования и электронным блоком регулировки мощности излучения и длительности импульса. Используется вторая видеокамера тепловизора на штативе для наблюдения за процессами нагрева и последующего охлаждения исследуемой детали с регистрацией последовательности термограмм, сопряженный с ней компьютер для анализа цифровых изображений с функциями выделения локальных неоднородностей тепловых полей на поверхности исследуемой детали и визуальным их представлением. Недостатки устройства заключаются в большой длительности подготовительных мероприятий перед проведением непосредственной процедуры контроля, а также значительных временных издержках, требуемых для перемещения регистрирующего блока относительно исследуемого объекта.An invention is known (RU2755564, 09/17/2021) containing a lighting device that acts with radiation on the part under study, and an associated photosensor that generates an electrical signal, a unit for converting this signal, and a unit for controlling and assessing the quality of a given set of local zones. Illuminators are used from a set of LEDs or semiconductor lasers with a fiber-optic radiation output, acting pulsed on the surface of the part under study with illumination controlled by the first video camera. The illuminators are connected to devices for their positioning and an electronic unit for adjusting the radiation power and pulse duration. A second thermal imager video camera on a tripod is used to monitor the processes of heating and subsequent cooling of the part under study with registration of a sequence of thermograms, an associated computer for analyzing digital images with functions for identifying local inhomogeneities of thermal fields on the surface of the part under study and their visual representation. The disadvantages of the device are the long duration of preparatory measures before carrying out the direct control procedure, as well as the significant time costs required to move the recording unit relative to the object under study.

Известно устройство (US6542849, 01.04.2003) для определения толщины образца и глубины дефекта с использованием тепловидения в различных пластмассовых, керамических, металлических и других изделиях, включающих: пару импульсных ламп, тепловизор, компьютер для управления, сбора и обработки данных теплового изображения с использованием математических алгоритмов для последующего определения толщины изделия и глубины залегания дефекта. Недостатком устройства можно считать значительное преобладание холодной синей части в спектре излучения импульсных газоразрядных ламп, что снижает его эффективность и коэффициент полезного действия при нагреве исследуемого образца. Кроме того, при использовании газоразрядных импульсных ламп для нагрева гладких поверхностей с минимальной шероховатостью поверхностей, например, таких как элементы конструкции воздушного судна, значительно увеличивается количество паразитных шумов от возникающих бликов.A device is known (US6542849, 04/01/2003) for determining the thickness of a sample and the depth of a defect using thermal imaging in various plastic, ceramic, metal and other products, including: a pair of flash lamps, a thermal imager, a computer for controlling, collecting and processing thermal image data using mathematical algorithms for subsequent determination of the thickness of the product and the depth of the defect. A disadvantage of the device can be considered the significant predominance of the cold blue part in the emission spectrum of pulsed gas-discharge lamps, which reduces its efficiency and efficiency when heating the sample under study. In addition, when using gas-discharge flash lamps to heat smooth surfaces with minimal surface roughness, for example, such as aircraft structural elements, the amount of parasitic noise from the resulting glare increases significantly.

Задачей настоящей полезной модели является создание мобильного устройства неразрушающего теплового контроля методом инфракрасной термографии для ручного и автоматизированного контроля композитных материалов и конструкций, в том числе авиационных, с гладкой наружной поверхностью, имеющей минимальную шероховатость, для использования как в помещениях, так и на открытом воздухе, обеспечивающего точность, высокую скорость контроля и достоверность полученных результатов контроля.The objective of this utility model is to create a mobile device for non-destructive thermal testing using the infrared thermography method for manual and automated testing of composite materials and structures, including aircraft, with a smooth outer surface with minimal roughness, for use both indoors and outdoors, ensuring accuracy, high speed of control and reliability of the obtained control results.

Задача решается тем, что в устройстве, содержащем ламповый нагреватель для нагрева исследуемого объекта, тепловизор, устройство управления, поляризационный фильтр, защитный кожух, вентиляторы, не менее одной опоры для стабилизации устройства в качестве нагревателей задействованы галогеновые лампы, также устройство содержит четыре фиксирующие опоры. Галогеновые лампы в отличие от импульсных газоразрядных ламп излучают существенно большую часть энергии в инфракрасном спектральном диапазоне и за счет этого позволяют значительно увеличить коэффициент полезного действия при нагреве исследуемого образца. Кроме того, в целях уменьшения габаритов и повышения мобильности полезной модели применение галогеновых ламп позволяет отказаться от использования громоздких конденсаторов в цепи питания импульсных источников света, а также генераторов импульсов и высоковольтного зарядно-разрядного дросселя.The problem is solved by the fact that in a device containing a lamp heater for heating the object under study, a thermal imager, a control device, a polarizing filter, a protective casing, fans, at least one support for stabilizing the device, halogen lamps are used as heaters, and the device also contains four fixing supports. Halogen lamps, in contrast to pulsed gas-discharge lamps, emit a significantly larger portion of the energy in the infrared spectral range and, due to this, can significantly increase the efficiency when heating the test sample. In addition, in order to reduce the size and increase the mobility of the utility model, the use of halogen lamps makes it possible to eliminate the use of bulky capacitors in the power circuit of pulsed light sources, as well as pulse generators and a high-voltage charge-discharge choke.

С целью снижения засветок от бликов галогеновых ламп-нагревателей, влияющих на контрастность и качество получаемых тепловизором термограмм, перед объективом тепловизора и на лампах-нагревателях установлены один или несколько оптических инфракрасных поляризационных фильтров с возможностью регулировки (вращения) плоскости их поляризации. Применение оптических поляризационных фильтров позволяет частично или полностью отсекать поляризованные лучи нагревательных галогеновых ламп, отраженные от гладкой контролируемой поверхности, которая также может быть расположена под различными углами относительно плоскости залегания оптических осей ламп и объектива камеры тепловизора и создавать поляризацию отраженного от нее оптического излучения, что увеличивает контрастность наблюдаемого изображения поверхности исследуемого образца, формируемого камерой тепловизора и снижает влияние паразитной засветки на качество полезного сигнала (увеличивает соотношение сигнал/шум. Кроме того, для еще большего снижения шумов и увеличения соотношения полезный сигнал/шум использован защитный кожух, позволяющий изолировать тепловизор и исследуемую область как от влияния остаточного излучения остывающего галогенового нагревателя для устранения отраженного излучения, так и от тепловых шумов извне.In order to reduce flare from the glare of halogen heater lamps, which affects the contrast and quality of the thermograms obtained by the thermal imager, one or more optical infrared polarizing filters are installed in front of the thermal imager lens and on the heater lamps with the ability to adjust (rotate) the plane of their polarization. The use of optical polarizing filters makes it possible to partially or completely cut off the polarized rays of halogen heating lamps reflected from a smooth controlled surface, which can also be located at different angles relative to the plane of the optical axes of the lamps and the lens of the thermal imager camera and create polarization of the optical radiation reflected from it, which increases the contrast of the observed image of the surface of the test sample formed by the thermal imager camera and reduces the influence of stray light on the quality of the useful signal (increases the signal-to-noise ratio. In addition, to further reduce noise and increase the useful signal-to-noise ratio, a protective casing is used, which allows isolating the thermal imager and the test subject area both from the influence of residual radiation of the cooling halogen heater to eliminate reflected radiation, and from thermal noise from the outside.

На фиг. 1 изображено устройство для активного термографического неразрушающего контроля композитных авиационных конструкций включающее тепловизор 1, лампы нагрева 2, поляризационные фильтры 3, вентиляторы 4, устройство управления 5, защитный кожух 6, фиксаторы (четыре фиксирующие опоры) 7, органы управления 8.In fig. Figure 1 shows a device for active thermographic non-destructive testing of composite aircraft structures, including a thermal imager 1, heating lamps 2, polarizing filters 3, fans 4, control device 5, protective casing 6, clamps (four fixing supports) 7, controls 8.

Устройство работает следующим образом. Устройство позиционируется относительно контролируемой поверхности при помощи фиксаторов 7, экрана устройства управления 5, органами управления 8 выбирается конкретная контролируемая деталь из списка, затем при помощи тех же органов управления включается начало контрольной сессии. При этом для максимального охвата нагреваемой поверхности кожух находится в поднятом состоянии. Контроль температуры нагреваемой поверхности осуществляется программно, а также визуально по экрану управления. По достижении требуемой температуры, кожух опускается с целью изолировать тепловизор и контролируемую поверхность от паразитных тепловых шумов. Затем начинается считывание данных с получением ряда термограмм контролируемой поверхности. Полученные данные обрабатываются устройством управления и записываются в базу данных устройства. Затем описанный алгоритм действий повторяется. Вентиляторы предназначены для недопущения перегрева галогеновых ламп и функционируют, основываясь на показаниях температурных датчиков. Поляризационные фильтры служит для снижения интенсивности принимаемого камерой тепловизора паразитного теплового излучения, как непосредственно приходящего от галогеновых ламп-нагревателей, так и отраженного от поверхностей объекта контроля, создающих различные плоскости поляризации для отраженного излучения ламп-нагревателей, а также других оптических шумов.The device works as follows. The device is positioned relative to the controlled surface using clamps 7, the screen of the control device 5, the controls 8 select a specific controlled part from the list, then using the same controls the start of the control session is turned on. At the same time, for maximum coverage of the heated surface, the casing is in a raised state. The temperature of the heated surface is controlled programmatically, as well as visually on the control screen. Upon reaching the required temperature, the casing is lowered in order to isolate the thermal imager and the controlled surface from parasitic thermal noise. Then the data reading begins, obtaining a series of thermograms of the controlled surface. The received data is processed by the control device and recorded in the device database. Then the described algorithm of actions is repeated. The fans are designed to prevent overheating of halogen lamps and operate based on the readings of temperature sensors. Polarizing filters are used to reduce the intensity of parasitic thermal radiation received by the thermal imager camera, both directly coming from halogen heater lamps and reflected from the surfaces of the test object, which create different polarization planes for the reflected radiation of heater lamps, as well as other optical noise.

Таким образом, достигаются заявленные высокая скорость контроля больших площадей композитных материалов и конструкций, а также достоверность полученных результатов контроля.Thus, the declared high speed of inspection of large areas of composite materials and structures, as well as the reliability of the obtained inspection results, are achieved.

Claims (1)

Устройство для активного термографического неразрушающего контроля конструкций из композиционных материалов, содержащее нагреватели, тепловизор, устройство управления, вентиляторы, отличающееся тем, что в качестве нагревателей использованы галогеновые лампы, на лампы-нагреватели и на объектив тепловизора добавлены защитный кожух и поляризационные оптические фильтры, также устройство содержит четыре фиксирующие опоры.A device for active thermographic non-destructive testing of structures made of composite materials, containing heaters, a thermal imager, a control device, fans, characterized in that halogen lamps are used as heaters, a protective casing and polarizing optical filters are added to the heater lamps and to the lens of the thermal imager, as well as a device contains four fixing supports.

Images