Метод оптического контроля

Все виды технического контроля опасных  производственных объектов

разделяются на 3 группы: разрушающий  контроль, повреждающий контроль

и неразрушающий контроль.

Разрушающий контроль – это совокупность таких видов контроля,

которые требуют отбора проб или  вырезки образцов непосредственно из ма-

териала объекта, при этом объект остается неработоспособным до восстанов-

ления мест отбора проб (образцов). К  разрушающим видам контроля отно-

сятся:

– лабораторный химический анализ материала  объекта (требует на-

сверловки определенного объема стружки);

– металлография (исследование структуры  металла объекта; требует 

вырезки шлифов);

– лабораторные механические испытания  материала объекта на растя-

жение, сжатие, изгиб, ударную вязкость (требует вырезки специальных об-

разцов – темплетов).

Повреждающий контроль – это  совокупность таких видов контроля,

которые производятся непосредственно  на объекте, при этом объект сохра-

няет работоспособность, но в местах контроля остаются не препятствующие

эксплуатации неустранимые следы. К повреждающим видам контроля, в ча-

стности, относятся:

– измерение твердости (твердометрия) вдавливанием специальных ин-

денторов (баббитовые шарики, алмазные наконечники; на поверхности объ-

екта остается вмятина);

– стилоскопирование (оценка марки стали по составу оптического

спектра вольтовой дуги, создаваемой  между электродом специального при-

бора – стилоскопа и поверхностью объекта, на которой остается прижег).

Неразрушающий контроль (НК) – это  совокупность таких видов кон-

троля, которые производятся непосредственно на объекте, при этом исправ-

ный объект сохраняет работоспособность  без какого-либо повреждения ма-

териала.

Различают понятия «неразрушающий контроль» и «неразрушающий

физический контроль».

Неразрушающий физический контроль – это совокупность таких

видов неразрушающего контроля, которые  требуют применения специаль-

ных веществ, сложных приборов и  достаточно наукоемких технологий. Из

всех видов неразрушающего контроля, используемых на опасных производ-

ственных объектах, лишь один не относится к категории физических  – это

визуальный и измерительный  контроль (ВИК). Таким образом, сочетание 

этих понятий можно выразить формулой:

Неразрушающий контроль = Неразрушающий  физический контроль + ВИК.ВВЕДЕНИЕ

2 Методы неразруш. контроля. Ч. 1. Неразрушающие методы контроля матер. и изделий. Учеб. пособие 5

По степени проникновения в  материал все виды неразрушающего фи-

зического контроля условно подразделяют на две категории: поверхностные 

и объемные.

Поверхностные виды (методы) неразрушающего контроля  – это та-

кие, которые позволяют обнаруживать только дефекты, имеющие выход на

доступную для контроля поверхность  материала объекта.

Объемные виды (методы) неразрушающего контроля – это такие, ко-

торые дают возможность обнаруживать преимущественно внутренние дефек-

ты материала, а поверхностные  дефекты выявляются, только если они  доста-

точно крупные.

В России классификация неразрушающих  физических видов (методов)

контроля приведена в стандарте  ГОСТ 18353-79 «Контроль неразрушающий.

Классификация видов и методов» [1]. Этот стандарт предусматривает 9 видов 

контроля (табл. 1).

Таблица 1

Классификация видов неразрушающего физического контроля материалов

Вид контроля

Категория

вида контроля

Требования к материалу

объекта

Оптический* Для оптически прозрач-

ных материалов  – объем-

ный, для непрозрачных  –

поверхностный

Любой твердый или жидкий

Проникающими веществами Поверхностный  Любой твердый

Магнитный Поверхностный** Ферромагнитные металлы

Электромагнитный Поверхностный** Любые металлы

Электрический Поверхностный** –«–

Радиоволновый Объемный Любые неметаллы

Радиационный Объемный Любой твердый

Акустический Объемный Любой твердый  или жидкий

Тепловой Объемный –«–

  * Оптический вид контроля  частично входит в состав ВИК,  когда речь идет о

применении специальных увеличительных средств.

** Эти методы позволяют обнаруживать  не только поверхностные, но  и подпо-

верхностные дефекты, залегающие на малой  глубине (до 2 мм).

Каждый вид контроля объединяет в себе один или несколько методов,

основанных на данном физическом принципе.

В настоящем пособии рассмотрены  все перечисленные в таблице  виды

неразрушающего контроля и составляющие их методы, показаны средства

неразрушающего контроля, представлены методики и технологии контроля

некоторых конкретных объектов.

На рис. 1 приведена логическая цепь полного технического диагности-

рования объекта, из которой видно, что неразрушающий контроль (кроме 

толщинометрии) является завершающей  фазой процесса.

 

 

При изготовлении любого изделия пользуются чертежом, на котором

обозначены все линейные и угловые  размеры этого изделия.

Линейный размер – это числовое значение линейной величины (диа-

метра, длины) в выбранных единицах измерения. Линейные размеры делятся 

на номинальные, действительные и  предельные.

Номинальный размер – это размер, полученный конструктором при 

проектировании в результате расчетов (на прочность, жесткость, износостой-

кость) или с учетом различных  конструктивных, технологических и  эксплуа-

тационных  соображений. Номинальные  размеры могут быть как целыми,

так и дробными числами. Но на чертеже  в качестве номинального линейного 

размера указывается  расчетный  размер, округленный до ближайшего значе-

ния из установленного ряда нормальных линейных размеров.

Изготовить деталь с абсолютно точным размером нельзя, так как неиз-

бежны погрешности. Причин возникновения  погрешностей много: неточ-

ность оборудования, приспособлений и режущих инструментов, степень  их

изношенности; неоднородность заготовок  для деталей по размерам, формам, 

механическим свойствам; неточность установки и закрепления заготовок в

приспособлениях; влияние температуры  на обрабатываемые детали и от-

дельные части оборудования; упругие  деформации отрабатываемых деталей,

инструментов, отдельных частей оборудования, приспособлений; вибрации

фундамента, на котором установлено  оборудование, и т.д.

Все возникающие погрешности при  изготовлении деталей можно раз-

делить на 4 вида: погрешности размеров, формы поверхности, расположение

поверхностей и погрешности  качества поверхности. Рассмотрим вопросы,

связанные с погрешностями размеров.

Размер, полученный в результате обработки  детали, будет отличаться

от номинального; это будет  действительный размер, т.е. размер, установ-

ленный измерением с допустимой погрешностью.

Чтобы действительный размер  обеспечивал функциональную готов-

ность детали, устанавливаются два  предельных размера – наибольший и наи-

меньший. Это предельно допустимые размеры, между которыми должны на-

ходиться или которым может  быть равен действительный размер годной де-

тали. На чертеже  в дополнение к  номинальному размеру проставляют  его 

предельные отклонения: верхнее  и нижнее.

Верхнее отклонение – это алгебраическая разность между наибольшим

предельным размером и номинальным.

Нижнее отклонение – это алгебраическая разность между наименьшим

предельным размером и номинальным.

Разность между наибольшим и  наименьшим предельными размерами 

или алгебраическая разность между  верхним и нижним отклонениями харак-2. ВИЗУАЛЬНЫЙ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ

2.3. Характеристика размеров изделий и средств их контроля

2 Методы неразруш. контроля. Ч. 1. Неразрушающие методы контроля матер. и изделий. Учеб. пособие 20

теризует точность, с которой  должен быть выполнен размер при изготовле-

нии детали, и называется допуском.

Допуск в отличие от отклонений знака не имеет. Чем больше допуск,

тем ниже требования к точности обработки  детали. И наоборот, уменьшение

допуска означает большую точность, требуемую  при изготовлении детали, а

следовательно, ее удорожание.

Поле допуска отличается от допуска тем, что оно определяет не только

величину, но и его положение  относительно номинального размера.

Действительный размер, т.е. размер, установленный измерением, будет 

годным, если  он окажется не больше наибольшего предельного размера и не

меньше наименьшего предельного  размера.

Чтобы определить, какой размер получился  после обработки детали и 

соответствует ли он требованиям чертежа, необходимо измерить эту деталь.

Измерение – это нахождение значения физической величины опытным

путем с помощью специальных  технических средств.

Средство измерений – это  техническое средство,  предназначенное 

для измерений, имеющее нормированные  метрологические  характеристики, 

воспроизводящие и (или) хранящие  единицу физической величины, размер

которой принимается неизменным в  пределах установленной погрешности  в 

течение известного интервала времени.

По метрологическому назначению средства измерений подразделяются:

– на  рабочие средства измерений  физических величин (они являются

самыми многочисленными);

– метрологические средства измерений, предназначенные для обеспе-

чения единства измерений в стране.

Единство измерений – это  состояние измерений, при котором  результа-

ты измерений выражены в узаконенных  единицах и погрешности известны с 

заданной вероятностью.

Средства измерений классифицируют:

1) по конструктивному исполнению  – на меры, измерительные прибо-

ры, измерительные установки, измерительные  системы, измерительные ком-

плексы;

2) по уровню автоматизации –  на неавтоматические, автоматизирован-

ные и автоматические;

3) по уровню стандартизации –  на стандартизованные и нестандартизи-

руемые;

4) по отношению к измеряемой  физической величине – на основные  и 

вспомогательные.

Рассмотрим подробно первую из этих классификаций.

Меры – это средства измерения, предназначенные для воспроизведения

и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных

размеров, значения которых выражены  в установленных единицах измере-

ния и известны с необходимой  точностью.

Единицами измерения  являются: для измерения линейных размеров –

метр (м),  миллиметр (мм),  микрометр (мкм); для измерения угловых разме-

ров – градус (º),  угловая минута (‘), угловая секунда (“).

Мера может быть однозначной, т.е. воспроизводящей физическую ве-

личину одного размера (например, плоскопараллельная мера длина – 10 мм) 

и многозначной, т.е. воспроизводящей  физическую величину разных разме-

ров (например, образцовая линейка, угловой  лимб).

Измерительные приборы – средства измерения, предназначенные для 

получения значений измеряемой величины в установленном диапазоне.

Измерительные приборы, как правило, содержат устройство для преоб-

разования измеряемой величины в сигнал измерительной информации и его 

индикации в форме, доступной для  восприятия. Устройство для индикации

имеет шкалу  со стрелкой, диаграмму  с пером или цифроуказатель, с  помо-

щью которого можно отсчитывать  или регистрировать значения физической

величины. При сопряжении прибора  с мини-ЭВМ отсчет можно производить 

с дисплея. По степени индикации  измеряемой величины измерительные при-

боры делят на показывающие и  регистрирующие;  по действию – на интегри-

рующие, суммирующие, приборы прямого  действия и приборы сравнения.

Измерительная установка – совокупность функционально объединен-

ных мер, измерительных приборов, преобразователей и других устройств,

предназначенных для измерений  одной или нескольких физических величин,

расположенных в одном месте.

Измерительная система  – совокупность функционально объединен-

ных мер, измерительных приборов, преобразователей, ЭВМ и других техни-

ческих средств, размещенных в  разных точках контролируемого объекта  с 

целью измерения одной или нескольких физических величин, свойственных

этому объекту.

Измерительный комплекс – совокупность функционально объединен-

ных средств измерений, ЭВМ и вспомогательных  устройств, предназначен-

ных для  выполнения конкретной измерительной  задачи.

Конструкция большинства средств измерений  состоит из последова-

тельно  расположенных деталей и устройств,  каждое их которых при измере-

нии выполняет  определенную задачу.

Рассмотрим  кратко эти детали и устройства.

Основание  измерительного средства – это конструктивный элемент,

на котором  смонтированы все остальные элементы данного средства измере-

ний, например: штанга штангенциркуля, скоба микрометра, корпус индика-

тора часового типа.

Чувствительный  элемент – это часть средства измерений, которая 

осуществляет  его соприкосновение с объектом измерения и воспринимает

величину этого объекта, например: измерительные губки штангенциркуля,

измерительный наконечник индикатора.

Размерный  элемент – это  одна из деталей средства измерений, обла-

дающая собственным точным, обычно многозначным размером, с величиной 

которого в процессе измерения  непосредственно сопоставляется воспринятая 2. ВИЗУАЛЬНЫЙ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ

2.3. Характеристика размеров изделий  и средств их контроля

2 Методы неразруш. контроля. Ч. 1. Неразрушающие методы контроля матер. и изделий. Учеб. пособие 22

средством измерений величина объекта  измерения. Например, штанга со

шкалой штангенциркуля, с ней  сравнивают размер детали, воспринятый  губками.

Преобразовательный элемент –  это внутренний механизм или элемент 

средства измерений, который преобразует (видоизменяет) малые перемеще-

ния, воспринятые от объекта измерения  воспринимающим элементом, в

большие перемещения на отсчетном  устройстве так, что исполнитель  может 

непосредственно наблюдать их и  производить отсчет. Например, зубчатая

передача в индикаторе часового типа преобразует малые перемещения  изме-

рительного наконечника  в большие перемещения стрелки, легко наблюдае-

мые по шкале.

Отсчетное устройство создает возможность  отсчитывать показания 

средства измерений; в большинстве  случаев это шкала и указатель, которым 

служит отдельный штрих или  группа штрихов, или стрелка. В  последнее

время получили распространения средства измерений с цифровыми отсчет-

ными устройствами. Например, нониус штангенциркуля, круговая шкала ин-

дикатора и стрелка индикатора часового типа, табло микрометра с  цифровой

индикацией.

В зависимости от назначения и принципа действия конкретного сред-

ства измерений в его конструкции  используются те или иные комплексы  этих

устройств и элементов, составляющих структуру данного средства измерений.

Шкала средства измерений – это  ряд отметок (штрихов или точек) и

проставленных около них чисел, положение и значение которых  соответст-

вуют ряду последовательных размеров.

Цена деления шкалы – это  разность значений величины, соответствую-

щих двум соседним отметкам шкалы. Иначе  говоря, величина перемещения

чувствительного элемента средства измерений, вызывающая перемещение 

указателя отсчетного устройства на одно деление шкалы.

Отсчет – это число, отсчитанное  по отсчетному устройству средства

измерений.

Показание средства измерений –  это значение измеряемой величины,

определенное по отсчетному устройству и выраженное в принятых единицах

этой величины. Показание всегда равно произведению числа отсчитанных 

делений шкалы на цену деления данной шкалы.

Дискретность отсчета при цифровой индикации  – это наименьшая

разность показаний младшего разряда  цифровой индикации данного средства

измерений.

Диапазон показаний – это  область значений шкалы, ограниченная ко-

нечным и начальным значениями шкалы.

Диапазон измерений – это  область значений измеряемой величины, для

которой нормированы погрешности  данного средства измерений.

Пределы измерений – это наибольшее и наименьшее значение диапазо-

на измерений.

Измерительные усилия – это сила, с которой чувствительный элемент 

воздействует на поверхность объекта измерения.2. ВИЗУАЛЬНЫЙ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ

2.3. Характеристика размеров изделий  и средств их контроля

2 Методы неразруш. контроля. Ч. 1. Неразрушающие методы контроля матер. и изделий. Учеб. пособие 23

Длина (интервал)  деления шкалы  – это расстояние между серединами

двух соседних отметок шкалы.

Различают несколько видов измерений.

Прямое измерение – это измерение, при котором значение измеряемой

величины определяют непосредственно  по результату измерения, например,

измерение глубины линейкой глубиномера штангенциркуля ЩЦ-1.

Косвенное измерение – это измерение, при котором искомое значение

величины определяют пересчетом результатов  прямых измерений величин,

связанных с искомой величиной  известной зависимостью.

Например, требуется измерить расстояние L между центрами двух от-

верстий с помощью штангенциркуля (рис. 3).

Прямым  измерением  с  помощью  циркуля  это сделать практически  не-

возможно, следовательно, воспользуемся  косвенным измерением. Сначала 

выполним прямые измерения величин  d1,  d2, Lmax губками для внутренних

измерений, а затем рассчитаем искомую  величину по формуле

L = Lmax – 0,5(d1 + d2) .                                          (3)

Контактное измерение – это  измерение, при котором воспринимающее

устройство средства измерений  имеет механический контакт с поверхностью

объекта, например, измерение с  помощью штангенциркуля, микрометра, ин-

дикатора и т.д.

Бесконтактное измерение – это  измерение, при котором восприни-

мающее устройство средства измерений  не имеет механического контакта с

поверхностью измеряемого объекта, например, измерение элементов резьбы

с помощью  микрометрического микроскопа.

Методами  измерений принято называть совокупность приемов 

и принципов  использования средств измерений. Наиболее распространены

следующие методы:

1. Метод  непосредственной оценки. При этом  методе величину изме-

ряемого объекта  определяют непосредственно по размерному устройству,

имеющемуся  в конструкции применяемого средства измерений. Например,

при измерении  диаметра вала с помощью штангенциркуля величина диамет-

ра, воспринятая  губками, непосредственно сопоставляется со шкалой штанги,

обладающей  точным размером и включенной в конструкцию  штангенциркуля.

2. Метод  сравнения с мерой. Это метод,  при котором величина изме-

ряемого объекта  сопоставляется с величиной, воспроизводимой мерой или

величиной образцовой детали, которые не входят в конструкцию применяе-

мого средства измерений. Например, измерение диаметра вала (30 мм) с по-

мощью индикатора цифрового типа методом сравнения  с концевой мерой

длиной 30 мм на стойке со столиком. В этом случае величина диаметра вала

сопоставляется  с помощью индикатора с величиной  концевой меры длины,

которая не входит в конструкцию индикатора.

При выполнении измерения неизбежно возникают  погрешности раз-

личной  величины.

Погрешность измерения – это отклонение результата измерения Lu от

действительного значения измеряемой величины  Lg, определяемое по фор-

муле

                               Δ = Lu – Lg .                                                 (4)

Погрешности делят на группы:

– систематические (постоянно или  закономерно изменяющиеся при по-

вторных измерениях одной и той  же величины);

– случайные (изменяющиеся случайным  образом при повторных изме-

рениях одной и той же величины).

На суммарную погрешность измерения наиболее существенно влияют

следующие составляющие:

1) инструментальная погрешность;

2) погрешность, вносимая в процесс  мерами или образцами;

3) погрешность, возникающая от  измерительного усилия при контакт-

ном измерении;

4)  погрешности, возникающие из-за термического расширения или

сжатия объекта контроля или  средства измерений при отклонениях  темпера-

туры в процессе измерения;

5)  субъективные погрешности,  связанные с человеком, выполняющим

процесс  измерения.

От правильности выполнения измерения значительно зависит качество

продукции, поэтому рассмотрим подробнее  составляющие погрешности из-

мерения.

Инструментальная погрешность  – это разность между показанием

средства измерений и действительным размером измеряемого объекта. Так 2. ВИЗУАЛЬНЫЙ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ

2.3. Характеристика размеров изделий  и средств их контроля

2 Методы неразруш. контроля. Ч. 1. Неразрушающие методы контроля матер. и изделий. Учеб. пособие 25

как эта погрешность  вносит самый  большой вклад в погрешность  измере-

ния, за всеми средствами измерений  проводится контроль как после их изго-

товления или ремонта, так и  во время их эксплуатации. Такой  контроль при-

нято называть поверкой средств  измерений. При проведении поверки  опре-

деляют работоспособность поверяемого средства и его инструментальную

погрешность, выясняя, находится ли она в пределах нормы, установленной 

для данного средства измерений.

Выполняют поверку специальные  органы метрологической службы  –

измерительные лаборатории и их поверочные пункты.

Если в результате  поверки  данное средство измерений годное, то со-

ставляется официальный документ о положительных результатах  поверки 

(аттестат) и (или) проводится  его клеймение; если же средство  измерений не 

годное, то оно изымается из применения. Свидетельство годного средства

измерений хранится до даты следующей  поверки. Если срок прошел и оче-

редную поверку не произвели, то при контроле метрологическим органом 

данное средство измерений объявляется  незаконным, а его аттестат недейст-

вительным.

Погрешности мер или образцов, используемых при установке средства

измерений на размер со своими знаками, входят в погрешность каждого  из-

мерения. Чем выше точность изготовления объекта измерения, т.е. чем 

меньше допуск, тем опаснее отклонение меры, используемой при установке

средств измерения.

Погрешность, появляющаяся от измерительного усилия при контакт-

ном измерении, зависит от деформаций, возникающих на поверхности объек-

та измерения. Чем больше деформации, тем больше погрешности измерения.

Погрешность, возникающая из-за термического расширения (сжатия)

объекта измерения и средства измерений  зависит от температуры помеще-

ния, где производятся измерения. Нормальной считается температура +20

о

С.

Отклонения от нормальной температуры  приводят к тепловому расширению

или сжатию измеряемой детали и средства измерений, а следовательно,

к увеличению погрешности измерения.

Субъективные погрешности, связанные  с  человеком, выполняющим

измерения, можно разделить на 3 группы:

– ошибки при действиях: неточное совмещение шкалы с измеряемым

размером; ошибки подбора концевых мер длины (КМД) в блок, ошибки ус-

тановки на нуль, ошибки при закреплении  средства измерений в установлен-

ном положении; при контакте чувствительного  элемента средства измерений

с поверхностью объекта (возможно завышение  или занижение измеритель-

ного усилия);

– ошибки при наблюдении: ошибки отсчета  при оценке точности сов-

падения стрелки или штриха нониуса  с делением шкалы и его знаком;

– профессиональные субъективные погрешности – это ошибки испол-

нителя, вызванные его недостаточной  квалификацией.

Меры длины – это средства измерений, имеющие постоянную длину,

выполненную с высокой точностью. Меры длины являются исходными раз-2. ВИЗУАЛЬНЫЙ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ

2.3. Характеристика размеров изделий и средств их контроля

2 Методы неразруш. контроля. Ч. 1. Неразрушающие методы контроля матер. и изделий. Учеб. пособие 26

мерами для сравнения с ними размеров деталей машины. Благодаря  высокой 

точности всех мер, они обеспечивают единство всех измерений линейных

размеров. По конструкции меры длины  делят на штриховые и концевые.

Штриховые меры длины – это многозначные меры, на которые нанесе-

ны шкалы с высокой точностью  интервалов.

Концевые меры длины – это  однозначные меры, размер которых обра-

зован противоположными измерительными поверхностями. Наиболее рас-

пространенные – это плоскопараллельные концевые меры длины.

Особенность КМД заключается в  том, что их измерительные поверхно-

сти имеют высокую плоскостность, параллельны между собой и обладают

малой шероховатостью. Эти свойства обеспечивают одинаковое для данной

меры расстояние между измерительными поверхностями в любом месте;

КМД выпускаются размерами от 0,1 до 100 мм цельными, а свыше  100 мм –

с двумя отверстиями для соединения стяжками.

Материалом для изготовления КМД  служат хромистые закаленные

стали и твердый сплав ВК6М. Основными  параметрами КМД являются: дли-

на концевой меры (номинальная и  действительная); плоскопараллельность

измерительных поверхностей; суммарная погрешность формы и расположе-

ния измерительных поверхностей; точность концевой меры (точность длины 

и отклонение от плоскопараллельности измерительных поверхностей, кото-

рая определяется разностью между наибольшим и  наименьшим расстоянием 

между измерительными поверхностями).

Существуют  два метода нормирования точности КМД: метод  классов 

точности  и метод разрядов.

Класс точности  меры показывает, какое отклонение имеет действи-

тельный размер данной меры от ее номинального размера. Классы точности

концевых  мер – это ряды допусков на изготовление их действительных раз-

меров в  зависимости от величины их номинального размера. Кроме того,

класс точности указывает на допускаемое отклонение от плоскопараллельно-

сти мер.

Таких классов  пять: 00, 0, 1, 2, 3. Класс точности присваивается каждой

мере при  контроле годности ее изготовления на производстве и при проверке

ее состояния  в процессе эксплуатации. Кроме этих пяти классов применяют 

еще 4-й и 5-й, которые присваиваются  значительно изношенным концевым