способ исследования рельефа поверхности объекта из электропроводящего материала, покрытого слоем диэлектрика, и устройство для его реализации

Формула изобретения

1. Способ исследования рельефа поверхности объекта из электропроводящего материала, покрытого слоем диэлектрика, включающий операции установки электрода над поверхностью исследуемого объекта с зазором, создания переменного электрического напряжения между исследуемым объектом и электродом, отличающийся тем, что визуализируют распределение напряженности электрического поля, по полученному изображению оценивают рельеф электропроводящей поверхности объекта, а электрод выполняют в форме, геометрически подобной форме исследуемой поверхности.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что электрод выполнен оптически прозрачным.

3. Устройство исследования рельефа поверхности объекта из электропроводящего материала, покрытого слоем диэлектрика, включающее электрод, генератор переменного напряжения для создания электрического напряжения между исследуемым объектом и электродом, отличающееся тем, что между электродом и поверхностью исследуемого объекта размещен чувствительный элемент устройства визуализации распределения напряженности электрического поля, электрод выполнен оптически прозрачным, в форме, геометрически подобной форме исследуемой поверхности.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что электрод выполнен плоским.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что устройство визуализации распределения напряженности электрического поля выполнено в виде слоя электролюминофора, нанесенного на прозрачный электрод и защитного слоя диэлектрика.

6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что устройство визуализации распределения напряженности электрического поля выполнено в виде слоя жидких кристаллов, размещенного под оптически прозрачным электродом, защитного прозрачного слоя диэлектрика, первого слоя поляризатора, отражающего слоя и второго слоя поляризатора, размещенного над оптически прозрачным электродом.

Описание изобретения к патенту

1. Область техники.

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для контроля коррозионных повреждений изделий из электропроводящих материалов, покрытых слоем диэлектрика.

2. Уровень техники.

Известно устройство визуализации для получения изображения контролируемого объекта (патент РФ № 2145096, 1998, МПК G01T 1/205), включающее элемент визуализации, два электрода, создающих электрическое поле, элемент, создающий люминесцентный эффект.

Недостатком устройства является отсутствие возможности исследования рельефа поверхности.

Известен также принятый заявителем за наиболее близкий аналог как в части способа, так и в части устройства (патент РФ № 2092863, 1997, МПК G01R 27/26) способ для исследования рельефа поверхности объекта, включающий операции установки электрода над электропроводящей поверхностью с зазором, создание переменного электрического напряжения между электропроводящей поверхностью и электродом; устройство включает электрод, генератор переменного напряжения для создания электрического напряжения между электропроводящей поверхностью и электродом.

Недостатком способа и устройства является низкая производительность контроля, связанная с необходимостью для получения полной информации о рельефе участка поверхности проводить исследования его высоты в каждой точке.

3. Сущность изобретения.

3.1. Техническая задача.

Техническая задача состоит в устранении указанного недостатка и получении следующего технического результата: повышение производительности контроля за счет визуализация рельефа поверхности изделия из проводящего материала на всем необходимом участке поверхности.

3.2. Отличительные признаки.

Требуемый технический результат достигается тем, что в отличие от известного способа визуализируют распределение напряженности электрического поля и по полученному изображению оценивают рельеф электропроводящей поверхности объекта, при этом электрод выполнен оптически прозрачным.

В устройстве между электродом и электропроводящей поверхностью размещен чувствительный элемент устройства визуализации распределения напряженности электрического поля, электрод выполнен оптически прозрачным, в форме, геометрически подобной форме исследуемой поверхности для исследования всей зоны контроля, при этом электрод может быть выполнен плоским.

Устройство визуализации распределения напряженности электрического поля может быть выполнено в виде слоя электролюминофора, нанесенного на прозрачный электрод, и защитного слоя диэлектрика или в виде слоя жидких кристаллов, размещенного под оптически прозрачным электродом, защитного прозрачного слоя диэлектрика, первого слоя поляризатора, отражающего слоя и второго слоя поляризатора, размещенного над оптически прозрачным электродом.

3.3. Перечень фигур.

На фиг.1 представлена общая схема устройства, реализующего способ исследования рельефа.

На фиг.2 - распределение толщины диэлектрика d над поверхностью объекта вдоль оси X,

На фиг.3 - распределение напряженности электрического поля между поверхностью проводящего электрода и проводящей поверхностью объекта вдоль оси X,

На фиг.4 - схема устройства, реализующего способ исследования рельефа с устройством визуализации распределения напряженности электрического поля, выполненным в виде слоя электролюминофора, нанесенного на прозрачный электрод, и защитного слоя диэлектрика,

На фиг.5 - распределение яркости свечения люминофора вдоль оси X,

На фиг.6 - схема устройства, реализующего способ исследования рельефа с устройством визуализации распределения напряженности электрического поля, выполненным в виде слоя жидких кристаллов, размещенного под оптически прозрачным электродом, защитного прозрачного слоя диэлектрика, первого слоя поляризатора, отражающего слоя и второго слоя поляризатора, размещенного над оптически прозрачным электродом,

На фиг.7 - характер зависимости контрастности изображения под действием переменного электрического поля,

На фиг.8 - характер распределения контрастности изображения под действием переменного электрического поля,

где 1 - оптически прозрачный электрод, 2 - электропроводящий материал объекта, 3 - слой диэлектрика над поверхностью объекта, 4 - генератор переменного напряжения, 5 - чувствительный элемент устройства визуализации, 6 - прозрачное основание электрода, 7 - прозрачный электропроводящий слой, 8 - слой электролюминофора, 9 - защитный слой из диэлектрика слоя электролюминофора, 10 - слой жидких кристаллов, 11 - защитный слой из диэлектрика слоя жидких кристаллов, 12 - первый поляризующий слой, 13 - отражающий слой, 14 - второй поляризующий слой; d - зазор между поверхностью проводящего электрода и проводящей поверхностью объекта, Е - напряженность электрического поля между поверхностью проводящего электрода и проводящей поверхностью объекта, L -распределение яркости свечения электролюминофора, Ф - контрастность изображения под действием переменного электрического поля.

3.4. Описание изобретения.

Оценка рельефа поверхности объекта в заявленном техническом решении осуществляется относительно положения установленного электрода над электропроводящей поверхностью.

При подаче выходного напряжения высоковольтного генератора переменного напряжения 4 между установленным электродом 1 и проводящей основой объекта 2 напряженность электрического поля Е (фиг.3) в пространстве между проводящим электродом и проводящей поверхностью объекта контроля будет обратно пропорциональна величине зазора d между соответствующими точками (x_n и x_m) этих поверхностей. То есть напряженность поля Е1, соответствующая зазору d1 на фиг.1, будет больше напряженности Е2, соответствующей зазору d2. В направлении сечения плоскостей вдоль произвольно выбранной оси Х распределение толщины диэлектрика d будет иметь вид, изображенный на фиг.2, а соответствующее ему распределение напряженности электрического поля Е, будет носить характер, изображенный на фиг.3.

При использовании в качестве устройства визуализации электролюминофора или жидких кристаллов, интенсивность свечения которых обратно пропорциональна напряженности поля, получается визуальное изображение рельефа поверхности объекта из электропроводящего материала.

При этом наличие диэлектрического покрытия на поверхности объекта не искажает структуру рельефа.

Установив электрод (1) над электропроводящей поверхностью с зазором, величина которого соответствует слою диэлектрика над поверхностью объекта (3), создают переменное электрическое напряжение между электропроводящей поверхностью объекта (2) и электродом, визуализируют распределение напряженности электрического поля с помощью устройства визуализации (5).

Чувствительный элемент устройства визуализации 5 преобразует распределения напряженности электрического поля в видимое изображение, по которому оценивают рельеф электропроводящей поверхности объекта.

Устройство в общем случае состоит из оптически прозрачного электрода в форме, геометрически подобной форме исследуемой поверхности, чаще всего плоского электрода (1). Между электродом и электропроводящей поверхностью размещен чувствительный элемент устройства визуализации (5) распределения напряженности электрического поля. Генератор переменного напряжения (4) создает напряжение между электропроводящей поверхностью (2) объекта, закрытого слоем диэлектрика (3), и электродом.

Устройство визуализации (5) может быть выполнено (фиг.4) в виде слоя электролюминофора (8), нанесенного на прозрачный электрод (1), и защитного слоя диэлектрика (9). Прозрачный электрод состоит из прозрачного основания (6) и оптически прозрачного электропроводящего слоя (7).

Устройство состоит из плоского оптически прозрачного электрода (1), расположенного над объектом из электропроводящего материала (2), покрытого слоем диэлектрика (3), генератора (4) для создания переменного электрического напряжения между поверхностью объекта и электродом, а в зазоре между объектом, покрытым слоем диэлектрика, и электродом размещен чувствительный элемент устройства визуализации распределения напряженности электрического поля (5).

Яркость свечения L электролюминофора под действием переменного электрического поля

L=K(E _o-E)

где:

L - яркость свечения,

E_о - пороговое значение напряженности электрического поля,

Е - напряженность действующего электрического поля,

К - коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств люминофора и частоты электрического поля.

В этом случае распределение яркости свечения L вдоль оси Х будет носить характер, изображенный на фиг.5. При этом полное отсутствие свечения на некоторых участках, как, например, на участке Х₁-Х₂, будет свидетельствовать о том, что действующее на этом участке электрическое поле Е не превосходит по своей величине пороговое значение Е_о .

Свечение люминофора на участке X₁ -Х₃ может быть достигнуто за счет увеличения напряжения между прозрачным электродом преобразователя и проводящей основой, при этом максимальная величина этого напряжения ограничивается суммарной диэлектрической прочностью слоя люминофора, защитного покрытия и слоя диэлектрика на объекте контроля на самом тонком его участке.

Характер распределения яркости свечения электролюминофора соответствует рельефу поверхности электропроводящего объекта контроля и может быть использован для его оценки.

Схема устройства, реализующего описанный способ исследования рельефа, с использованием электролюминофора приведена на фиг.4.

Схема устройства, реализующего описанный способ исследования рельефа, с использованием слоя жидких кристаллов приведена на фиг.6.

Устройство состоит из прозрачного основания (6), на которое нанесен тонкий прозрачный электропроводящий слой (7), слоя жидких кристаллов (10), защитного слоя из диэлектрика (11), первого поляризующего слоя (12), отражающего слоя (13), второго поляризующего слоя (14), расположенного над прозрачным основанием электрода (6). Устройство расположено над слоем диэлектрика (3), покрывающим поверхность электропроводящего изделия (2). Генератор переменного напряжения (4) включен между прозрачным электропроводящим слоем (7), выполняющим функцию электрода, и электропроводящим изделием (2).

При использовании жидких кристаллов, поверхности, непосредственно прилегающие к слою жидких кристаллов, покрыты так называемыми ориентирующими покрытиями (на фиг.6 не показаны). Цель нанесения этих покрытий состоит в правильной ориентации молекул жидких кристаллов в поверхностных слоях, обеспечивающей необходимый угол вращения плоскости поляризации света, проходящего через слой жидких кристаллов. Использование таких покрытий характерно для устройств отображения информации, использующих твист-эффект в жидких кристаллах.

Устройство работает следующим образом. Устройство визуализации 5 подносится со стороны слоя диэлектрика 3 к объекту контроля 2 и плотно к нему прижимается. Выходное напряжение высоковольтного генератора переменного напряжения 4 подается между электродом 1 и проводящей основой объекта контроля 2.

Напряженность электрического поля Е в пространстве между проводящим электродом и проводящим основанием объекта контроля будет обратно пропорциональна величине зазора d между этими поверхностями. Т.е. напряженность поля Е1, соответствующая зазору d1 на фиг.2, 3, будет больше напряженности Е2, соответствующей зазору d2.

Характер зависимости контрастности Ф изображения под действием переменного электрического поля приведен на фиг.7. До значения E_0,1 изменения контраста практически не происходит, на участке E _0,1-E_0,9 величина контраста зависит от напряженности почти линейно, а после Е_0,9 происходит насыщение, и при дальнейшем росте напряженности изменения контраста малы.

В этом случае распределение контрастности изображения вдоль оси Х будет носить характер, изображенный на фиг.8. При этом полное отсутствие изображения на некоторых участках, как, например, на участке X₁-Х₂, будет свидетельствовать о том, что действующее на этом участке электрическое поле Е превосходит по своей величине значение насыщения Е_0,9, а на участке Х₃-Х₄ электрическое поле Е не превосходит по своей величине пороговое значение E_0,1.

Появление изображения на участке Х₃-Х₄ может быть достигнуто за счет увеличения напряжения между прозрачным электродом преобразователя и проводящей основой, но при этом произойдет соответствующее увеличение участков типа Х₁ -Х₂, так произойдет пропорциональное увеличение напряженности электрического поля на всех участках.

Характер распределения контрастности соответствует рельефу поверхности электропроводящего объекта контроля и используется для его оценки.

4. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Элементы устройства реализуются с помощью известных технических решений:

- прозрачный электропроводящий слой 7, например, из окиси олова, являющийся верхним электродом;

- слой люминофора 8, способного светиться в переменном электрическом поле, например, из сульфида цинка, активированного медью;

- защитный слой из диэлектрика 9, обеспечивающий электрическую и механическую защиту слоя электролюминофора от повреждений, например, из полиэтиленовой пленки.

Слои 7 и 8 могут быть последовательно нанесены на жесткое прозрачное основание 6 методом шелкографии или трафаретной печати.

Слой 9 может быть выполнен в виде полиэтиленовой пленки с липким слоем.

Слой 10 может быть выполнен из низковольтного жидкокристаллического материала на основе цианобифенилов E24LV или E31LV фирмы BDH (Великобритания).

Слой 11 может быть выполнен из стекла, толщиной 0,2-0,7 мм.

Слои 12 и 14 могут быть выполнены из поляризующей пленки AGN-1145TR фирмы АСЕ Digitech Co. Ltd. (Корея).

Слой 13 может состоять, например, из белой матовой краски, нанесенной методом аэрозольного распыления.