Способ оценки состояния поверхности конструктивного элемента

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ КОНСТРУКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Белый Владимир Николаевич Казак Николай Станиславович Лапина Виктория Алексеевна Осипов Владимир Петрович Чижевский Вячеслав Николаевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Способ оценки состояния поверхности конструктивного элемента, в котором на контролируемую поверхность направляют под углом первичный пучок оптического излучения, регистрируют под тем же углом отраженное от поверхности вторичное излучение,представляют данные о поперечном распределении интенсивности зарегистрированного излучения в матричной форме, характеризующей трехмерное распределение его интенсивности, вычисляют с учетом представленных данных параметры 3-профилей контролируемой поверхности, характеризующие ее состояние, такие как толщина покрытия на поверхности, наличие или отсутствие дефектов поверхности, наличие и степень коррозии,и последовательно сравнивают их с соответствующими параметрами из заранее созданной матричной базы данных, соответствующих 3-профилям эталонных поверхностей с известными параметрами, способом корреляционного анализа с вычислением вплоть до 5 корреляционных моментов и до 25 коэффициентов кросс-корреляции. 12741 1 2009.12.30 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осуществляют дополнительное способом признакового анализа. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осуществляют дополнительное способом вейвлет-анализа. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осуществляют дополнительное способом нечетких алгоритмов. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осуществляют дополнительное посредством нейронной сети. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осуществляют дополнительное способом нормализации по отдельным сечениям матрицы данных. сравнение сравнение сравнение сравнение сравнение Изобретение относится к области диагностики состояния поверхности твердого тела, в частности к оценке состояния поверхности конструктивных элементов, при котором первичный пучок оптического излучения направляется на тестируемую поверхность и анализируется вторичное частично рассеянное/отраженное излучение с тем, чтобы отличить исправные конструктивные элементы от испорченных элементов. Способ может применяться в различных областях науки и техники, связанных с производством и тестированием состояния поверхности различных изделий, конструктивных элементов, деталей и т.д.,в частности, в области управления качеством продукции деталей с защитными покрытиями. Также способ может применяться для контроля состояния защитных покрытий конструктивных элементов транспортных средств (самолетов, кораблей, автомобилей) при регулярном техническом осмотре. Известен способ оценки состояния поверхности конструктивных элементов путем использования люминофоров, которые вводятся в трещины при погружении тестируемой поверхности в раствор с люминесцирующим реагентом, либо путем введения люминесцирующего реагента в более глубокие слои многослойного покрытия. Освещение тестируемой поверхности производится селективным излучением, а вторичное излучение поверхности (рассеянное или люминесцентное) проходит через селективный элемент и регистрируется детектором, формирующим изображение. Эталонное и измеренное изображения совмещаются на экране, что дает карту распределения структурных изменений,связанных с теми или иными дефектами 1. Однако известный способ малопригоден для тестирования качества защитных покрытий конструктивных элементов большого размера (особенно транспортных средств), которые затруднительно и неэкономично покрывать дорогостоящими люминесцирующими реагентами. К тому же данный способ не позволяет детектировать многие дефекты покрытия (такие как отслоения) и степень внутренней коррозии металлической поверхности,защищенной покрытием. Ближайшим техническим решением (прототип) является способ объективной оценки маркировки поверхности 2, в соответствии с которым поверхность конструктивных элементов освещается под одним углом и регистрируется изображение освещенного участка поверхности под другим углом относительно этой поверхности. Анализирующая изображение компьютерная система определяет качество маркировки на поверхности, используя хотя бы один из пяти критериев, а именно контраст, размер, резкость, средняя интенсивность пикселя окружающей поверхности и средняя интенсивность пикселя маркировки. Однако данный способ не позволяет оценить толщину покрытия и степень коррозии металлической поверхности, защищенной покрытием. Технической задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей способа за счет интегральной оценки их качества, в том числе толщины покрытий, степени шероховатости поверхности, ее неоднородности, наличия 2 12741 1 2009.12.30 локальных дефектов (царапин, трещин, отслоений, выбоин и т.д.), а также степени коррозии поверхности конструктивных элементов. Поставленная техническая задача решается тем, что в способе оценки состояния поверхности конструктивного элемента, в котором на контролируемую поверхность направляют под углом первичный пучок оптического излучения, регистрируют под тем же углом отраженное от поверхности вторичное излучение, представляют данные о поперечном распределении интенсивности зарегистрированного излучения в матричной форме, характеризующей трехмерное распределение его интенсивности, вычисляют с учетом представленных данных параметры 3-профилей контролируемой поверхности,характеризующие ее состояние, такие как толщина покрытия на поверхности, наличие или отсутствие дефектов поверхности, наличие и степень коррозии, и последовательно сравнивают их с соответствующими параметрами из заранее созданной матричной базы данных, соответствующих 3-профилям эталонных поверхностей с известными параметрами,способом корреляционного анализа с вычислением вплоть до 5 корреляционных моментов и до 25 коэффициентов кросс-корреляции, признакового анализа, вейвлет-анализа, нечетких алгоритмов, нейронной сети и способом нормализации по отдельным сечениям матрицы данных. Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где На фиг. 1 показана оптическая схема первой реализации способа оценки состояния поверхности конструктивного элемента с покрытием, где 1 - ирисовая диафрагма, 2 - линза, 3 - покрытие, 4 - тестируемая поверхность, 5 - детектор. На фиг. 2 показана оптическая схема второй реализации способа оценки состояния поверхности конструктивного элемента с покрытием, где 1 - диафрагма, 2 - линза, 3 - покрытие, 4 - тестируемая поверхность, 5 - детектор, 6 - экран. На фиг. 3 показано трехмерное изображение (3-профиль) вторичного излучения от тестируемой поверхности с покрытием однократной толщины (один слой). На фиг. 4 показано трехмерное изображение (3-профиль) вторичного излучения от тестируемой поверхности с покрытием двукратной толщины (два слоя). На фиг. 5 показан 3-профиль вторичного излучения от тестируемой поверхности при шероховатости поверхности 215,4 нм. На фиг. 6 показан 3-профиль вторичного излучения от тестируемой поверхности при шероховатости поверхности 58,0 нм. На фиг. 7 показана блок-схема программной реализации способа оценки состояния поверхности. Оценка состояния поверхности конструктивного элемента, согласно изобретению,осуществляется следующим образом. На фиг. 1 показана возможная конфигурация расположения детектора 5 и, соответственно покрытой поверхности конструктивного элемента 4 при реализации способа согласно данному изобретению. В этом случае регистрация вторичного излучения от тестируемой поверхности 3 покрытия конструктивного элемента 4 производится непосредственно при помощи детектора 5, данные с которого поступают в компьютер для последующей математической обработки. На фиг. 2 показана вторая возможная реализация способа, при которой вторичное излучение от тестируемой поверхности покрытия 3 конструктивного элемента 4 формирует на экране 6 изображение, которое далее регистрируется детектором 5. Подобное расположение имеет преимущество при использовании лазерных источников излучения и высокоотражающих покрытий, характеризующихся значительной долей зеркальной компоненты. Поскольку современные ПЗС-детекторы имеют динамический диапазон чувствительности от 8 до 16 бит, использование такого расположения позволяет сгладить негативное влияние значительного перепада интенсивности зеркальной и рассеянной компонент вторичного излучения. 3 12741 1 2009.12.30 Пучок первичного излучения формируется при помощи ирисовой диафрагмы 1 и линзы 2. Размер диафрагмы и фокусное расстояние линзы (или системы линз) выбираются таким образом, чтобы сформировать гауссов пучок, близкий к моде ТЕМ 00, с размерами,определяемыми требованиями к пространственному разрешению (минимальному размеру дефекта покрытия). Цифровые данные о поперечном распределении интенсивности вторичного излучения поверхности конструктивного элемента представляются в матричной форме детектором 5 и подаются на компьютер. Дальнейшая обработка трехмерных данных производится с помощью соответствующего программного обеспечения. На фиг. 3 показан пример трехмерного распределения интенсивности вторичного излучения (3-) от металлической поверхности, а именно пластины алюминия коммерческой марки Д 16 Т, покрытой одним слоем, а на фиг. 4 - двумя слоями нитроэмали марки НЦ-132 П. Приведенные данные были получены при освещении тестируемой поверхности излучением непрерывного - лазера с выходной мощностью 5,5 мВт под углом 45 к тестируемой поверхности. Различие этих 3-профилей (3-) отражения/рассеяния от тестируемых поверхностей с покрытием различной толщины характеризуется преобладанием широкого низкоинтенсивного пьедестала для более тонких покрытий и последовательным ростом узкого асимметричного квазизеркального центрального пика для более толстых покрытий. Наличие базы эталонных данных для толщин данного покрытия от 5 до 50 мкм позволяет определять толщину тестируемого покрытия конструктивного элемента без его демонтажа. На показанных фиг. 3 и 4 цветные изображения 3-профилей представлены в виде градаций серого цвета. Это имеет значение только при визуализации 3-профиля на мониторе или при печати на бумаге. При автоматизированном тестировании сравниваются не оптические изображения, а лежащие в их основе измеряемые данные и соответственно эталонные данные. На фиг. 5 показан пример трехмерного распределения интенсивности вторичного излучения (3-) от металлической поверхности, а именно пластины алюминия марки Д 16 Т с шероховатостью поверхности 215,4 нм, а на фиг. 6 - с 58,0 нм. Сравнение обоих изображений демонстрирует значительное изменение вида 3-профиля при изменении шероховатости поверхности. Наличие предварительно сформированной базы эталонных данных позволяет применять данный способ для оценки изменения шероховатости поверхности конструктивного элемента в диапазоне измененияот 50 до 1000 нм. На фиг. 7 показана блок-схема программной реализации способа оценки состояния поверхности согласно данному изобретению. Файл измеренных данных от детектора вторичного излучения в -, - или -формате подается в компьютер и преобразуется в матричную форму. Далее с помощью специального программного обеспечения, предназначенного для работы с матрицами, производятся предварительная обработка, сегментация, фильтрация и сравнение измеренных данных с эталонными данными (3 профилями), хранящимися в памяти компьютера. Сравнение производится последовательно с применением способов корреляционного анализа, признакового анализа, вейвлет - анализа либо способом нормализации по отдельным сечениям матрицы данных. На первом этапе производятся предварительная обработка матрицы измеряемых данных и сравнение с матрицей эталонных данных, например, посредством вычитания матриц. Получение нулевой матрицы свидетельствует об отсутствии изменений тестируемой поверхности. Получение ненулевой матрицы данных подключает подпрограмму корреляционного анализа, которая вычисляет корреляционные моменты различных порядков (амплитуду пика зеркального отражения, полуширину этого пика, его асимметрию и т.д.), а также коэффициенты кросс-корреляции и сравнивает их с соответствующими параметрами для эталонных поверхностей. 12741 1 2009.12.30 При наличии характерных признаков структуры эталонных поверхностей используется подпрограмма признакового анализа. Для тестирования искаженных или загрязненных поверхностей в зависимости от их природы используются подпрограммы, позволяющие выделить полезную информацию при наличии шумового фона, а именно подпрограмма нечетких алгоритмов ( ) подпрограмма нейронной сети ( ) подпрограмма вейвлет -преобразования. Для экспресс-анализа небольших изменений состояния поверхности используется подпрограмма анализа отдельных сечений матрицы измеряемых данных (двух или четырех взаимноперпендикулярных и/или диагональных). Данные, полученные при обработке изображений на компьютере, сопоставляются с такими характеристиками поверхности, как коэффициент отражения, цвет, текстура, размеры и тип дефектов, толщина покрытия, наличие и степень коррозии. Выбор определенного набора параметров, таких как углы освещения и регистрации длина волны и тип источника излучения, распределения интенсивности и поляризации падающего пучка, позволяет адекватно охарактеризовать тестируемую поверхность. В качестве источника первичного оптического излучения могут применяться как лазерные источники, испускающие излучение с определенной длиной волны, так и широкополосные источники оптического излучения с применением или без селективных элементов, позволяющих выделить нужную спектральную область для освещения тестируемой поверхности. Для оценки состояния поверхности под покрытием предпочтительно использовать лазерные источники с длиной волны, соответствующей диапазону прозрачности материала покрытия. Вторичное излучение от тестируемой поверхности может анализироваться с помощью ПЗС - или КМОП - матричных детекторов с тем, чтобы зарегистрировать трехмерное распределение интенсивности вторичного излучения в плоскости детектора, перпендикулярной к направлению регистрации. Таким образом, наличие базы эталонных данных, полученных при первичной оценке состояния исправной поверхности конструктивного элемента, и дальнейшая ее диагностика в процессе эксплуатации, согласно данному способу, позволяют оценивать состояние покрытий поверхностей конструктивных элементов, связанное с их износом, старением и повреждениями. Источники информации 1.6460417 В 2, 2002. 2.6795201 В 2, 2004. 3...//.- . 43.-3.- 2003. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7