PT107907B

PT107907B - Sistema de iluminação por luz rasante

Info

Publication number: PT107907B
Application number: PT10790714A
Authority: PT
Inventors: José Da Silva Tavares Paulo; Viriato Marques Ramos Nuno; Miguel Guimarães Pires Moreira Pedro
Original assignee: Inegi Inst De Engenharia Mecanica E Gestao Industrial
Priority date: 2014-09-25
Filing date: 2014-09-25
Publication date: 2019-01-16
Also published as: PT107907A

Abstract

O PRESENTE PEDIDO SURGE DA NECESSIDADE DE ILUMINAR UNIFORMEMENTE UM CORPO SOB UM ENSAIO DE FADIGA PARA A DETEÇÃO COM ELEVADA RESOLUÇÃO DE FENDAS DE FADIGA, COM UM SISTEMA DE ILUMINAÇÃO POR LUZ RASANTE, SEM QUE ESTES ESTEJAM EM CONTACTO FÍSICO. DIVULGA-SE UM SISTEMA DE ILUMINAÇÃO COMPREENDENDO UMA FONTE DE ILUMINAÇÃO ANELAR (4), UM REFLETOR ANELAR (6) PARA QUE A LUZ EMITIDA INCIDA NO CORPO SEGUNDO UM ÂNGULO RASANTE, E UM PONTO DE OBSERVAÇÃO QUE RECEBE LUZ REFLETIDA POR PERTURBAÇÕES DA SUPERFÍCIE NA ÁREA DE OBSERVAÇÃO, POR MUITO PEQUENA QUE SEJA A PERTURBAÇÃO REFLETORA. NO SENTIDO DE GUIAR A LUZ PROVENIENTE DA FONTE LUMINOSA ANELAR DIRETAMENTE PARA O REFLETOR ANELAR, UMA FORMA DE REALIZAÇÃO COMPREENDE AINDA UMA ANTEPARA VERTICAL ANELAR (5). A PRESENTE INVENÇÃO TEM APLICAÇÃO NAS ÁREAS DE ENGENHARIA E DE MANUTENÇÃO INDUSTRIAL, PARA A INSPEÇÃO, DETEÇÃO E MONITORIZAÇÃO DE FENDAS EM SUPERFÍCIES.

Description

DESCRIÇÃO

SISTEMA DE ILUMINAÇÃO POR LUZ RASANTE

Domínio técnico presente pedido relaciona-se com um sistema de iluminação por luz rasante.

Antecedentes

Sempre que se recorre à captura e processamento de imagens num ensaio de fadiga de um corpo, a iluminação utilizada deve ser uniforme para não criar regiões de diferentes atributos nas imagens processadas.

Conhecem-se sistemas de iluminação por Darkfield, técnica utilizada para melhorar o contraste dos objetos ao garantir que apenas a luz difratada pelas rugosidades é enviada para o sensor que, não sendo adaptáveis nem universais, não conseguem garantir a uniformidade do campo iluminante, criando zonas de diferentes intensidades luminosas incidentes, que perturbam gravemente o processamento de imagem posterior.

Outros sistemas de iluminação conhecidos são desenhados para iluminar uniformemente provetes metálicos. No entanto, isso não é suficiente para revelar saliências minúsculas à superfície dos provetes, tal como as que resultam do relevo característico de fendas.

Ao iluminar um corpo metálico a um ângulo tão rasante quanto possível, a luz que se reflete nas pequenas saliências é a única luz que se dirige na direção do ponto de observação. A imagem de fendas é por isso muito contrastada e permite assim a sua clara identificação e medição.

Os sistemas de iluminação por luz rasante conhecidos, não respondem às necessidades de garantia de uniformidade da iluminação em todo o campo de observação e também de não implicação de que a superfície observável esteja em contacto físico com o sistema de iluminação.

documento US 2004012775 Al divulga um aparelho para deteção de defeitos em substratos de wafers de semicondutores, que conjuga iluminação a um ângulo rasante com observação de reflexões especulares e não especulares. A iluminação é unidirecional, o aparelho descrito no documento é limitado nas dimensões utilizáveis, e não é garantida a máxima uniformidade do campo iluminante.

O documento US 6249351 BI divulga um interferómetro de ângulo rasante para inspeção de superfícies. Este interferómetro é unidirecional e recombina a luz coerente que incide no objeto com a luz dita de referência que incide num espelho para criar um padrão de interferência quando recombinadas, que é alterado com as nãouniformidades da superfície.

O documento EP 0119908 Al divulga um aparelho para produção de luz incidente a um ângulo rasante para inspeção de painéis solares, unidirecional e sem controlo do ângulo de incidência da luz, da posição face à captura da imagem e ainda da uniformidade do campo iluminante.

Sumário presente pedido divulga um sistema de iluminação por luz rasante, que compreende:

- uma fonte de iluminação anelar (4);

- um refletor anelar (6) que compreende uma superfície interior concêntrica e um ângulo de inclinação otimizado; e

- um ponto de observação (3) , em que o refletor anelar (6) e a fonte de iluminação (4) delimitam a vista do ponto de observação (3).

Numa forma realização, o sistema compreende ainda uma antepara vertical anelar (5) que guia a luz proveniente da fonte de iluminação anelar (4) para o refletor anelar (6).

Numa outra forma de realização, o tamanho da antepara vertical anelar (5) depende do ângulo de inclinação do refletor anelar (6).

Ainda numa outra forma de realização, a uniformização do campo iluminante rasante é configurada pelo ângulo de inclinação.

Numa forma de realização, o ponto de observação (3) é um dispositivo de captura de imagem.

Numa outra forma de realização, a iluminação em todo o campo de observação é uniforme e multidirecional.

Ainda numa outra forma de realização, a fonte de iluminação anelar compreende díodos emissores de luz.

Numa forma de realização, a otimização do ângulo de inclinação do refletor anelar (6) é realizada por meio da aplicação de cálculo ótico Ray-Trace.

presente pedido divulga um equipamento de ensaio de fadiga que compreende o sistema de iluminação por luz rasante.

presente pedido divulga ainda um equipamento de deteção e monitorização de fendas de fadiga que compreende o sistema de iluminação por luz rasante.

Descrição geral presente pedido surge da necessidade de iluminar uniformemente um corpo sob um ensaio de fadiga para a deteção com elevada resolução de fendas de fadiga, com um sistema de iluminação por luz rasante, sem que estes se encontrem em contacto físico.

Divulga-se um sistema de iluminação que compreende uma fonte de iluminação anelar, um refletor anelar para que a luz emitida incida no corpo segundo um ângulo rasante, e um ponto de observação que recebe luz refletida por perturbações da superfície na área de observação, por muito pequena que seja a perturbação refletora, tal como a elevação ou depressão num dos lados de uma fenda. Devido à sua forma anelar, a solução aqui divulgada pode assim ser utilizada para a deteção de qualquer tipo de fenda e medição e monitorização do seu progresso, sem que o corpo em estudo se encontre em contacto físico com o sistema de iluminação.

Entende-se por fonte de iluminação anelar, uma estrutura anelar de emissores de luz. Numa forma de realização, esta fonte de iluminação poderá ser implementada como uma coroa de Díodos Emissores de Luz (Light Emitting Diode - LED) ou lâmpadas incandescentes.

Entende-se por refletor anelar, um corpo anelar que compreende uma superfície interior concêntrica com um ângulo de inclinação otimizado para que o campo iluminante nele refletido, e que atinge a superfície a observar, seja tão homogéneo quanto possível e livre de zonas de diferentes intensidades. Numa forma de realização, o refletor é implementado em alumínio polido. Este poderia também ser implementado em qualquer outro material com elevada refletividade para a luz visível.

Com a solução aqui divulgada, embora seja necessário o sistema de iluminação estar próximo do corpo sob um ensaio de fadiga, não é necessário que estes se encontrem em contacto físico. Este facto é particularmente pertinente para a sua utilização em ensaios de fadiga com progresso de fendas, pois a respetiva norma ASTM exige que nada perturbe ou influencie o ensaio, tal como um objeto em contacto permanente ou ocasional com o provete de teste.

A distância ao corpo em fadiga influencia o ângulo otimizado do refletor anelar. Esta distância é fundamental para a utilização do sistema de iluminação, por forma a cumprir a condição de que o corpo em fadiga e o sistema não se toquem de forma a garantir a estabilidade do campo iluminante.

principal elemento de otimização do sistema é o ângulo de inclinação do refletor anelar, que permite obter um campo iluminante rasante uniforme em toda a área de observação. Esta otimização pode, por exemplo, ser realizada com recurso à aplicação de cálculo ótico Ray-Trace, que simula o desempenho de componentes óticos de acordo com os dados fornecidos à aplicação.

No sentido de guiar a luz proveniente da fonte de iluminação anelar diretamente para o refletor anelar, evitando a iluminação direta da área de observação, uma forma de realização deste sistema compreende ainda uma antepara vertical anelar de tamanho fixo. 0 tamanho da antepara é crítico e depende do ângulo de inclinação do refletor anelar, que por sua vez depende da distância entre o sistema e o corpo em análise.

Numa forma de realização, e para facilitar a construção que seria muito difícil numa peça única, os dois elementos são ligados rigidamente por parafusos, elementos estes, sobreponíveis com encaixe em alumínio e nylon ou outro material plástico.

A solução divulgada no presente pedido tem aplicação no domínio dos ensaios de fadiga em provetes metálicos ou outros corpos em que se pretenda detetar fendas muito finas, bem como a sua monitorização e medição.

A universalidade do sistema permite a sua utilização em praticamente todas as rotinas de inspeção ou em todos os trabalhos de análise laboratorial com igual eficácia, quer em metais quer em polímeros ou outros objetos em observação. Este sistema pode assim ser utilizado em ambiente controlado de laboratório ou em aplicações de campo, como por exemplo em inspeções de rotina.

sistema aqui divulgado tem iluminação multidirecional e garante a máxima uniformidade do campo iluminante. Além disso, utiliza luz não coerente incidente em 360 graus e portanto muito simples de controlar. Permite assim controlar o ângulo de incidência da luz, a posição face à captura da imagem e ainda a uniformidade do campo iluminante.

Numa forma de realização, a utilização de LEDs disponíveis comercialmente tem um impacto positivo no custo final do sistema aqui divulgado, que poderá ser desenvolvido para comercialização a um preço reduzido.

Breve descrição das figuras

Para uma mais fácil compreensão do presente pedido juntamse em anexo figuras, as quais, representam realizações preferenciais que, contudo, não pretendem limitar a técnica aqui divulgada.

A Figura 1 ilustra uma forma de realização do sistema de iluminação vista em corte lateral, em que os números de referência representam:

- sistema de iluminação;

- provete de estudo;

- ponto de observação;

- fonte de iluminação anelar;

- antepara vertical anelar; e

- um refletor anelar.

A Figura 2 ilustra a zona delimitada pelo retângulo tracejado na figura 1 numa vista ampliada, em que os números de referência representam:

- fonte de iluminação anelar;

- antepara vertical anelar; e

- um refletor anelar.

Descrição de formas de realização

Fazendo referência às figuras, uma forma de realização proposta é agora descrita de forma mais pormenorizada, a qual não pretende contudo limitar o âmbito do presente pedido.

Numa forma de realização, o sistema proposto utiliza iluminação por meio de LED que garante um baixo consumo e, por conseguinte, fontes de energia de dimensão reduzidas, facto importante para a portabilidade do sistema. Os LEDs garantem ainda uma cor bem adaptada ao elevado contraste requerido nos problemas de deteção de fendas.

Nesta forma de realização, a dimensão do sistema desenvolvido foi especificada para se poder acomodar uma câmara de vídeo para aquisição de imagens concêntrica com o eixo de simetria do sistema. A importância da aquisição e registo de imagens de forma automática é tão importante que a otimização do sistema de iluminação tomou em linha de conta a existência de possíveis reflexões na superfície do objeto sob observação que atingissem diretamente a câmara, eliminando-as sistematicamente na geometria otimizada.

Na Figura 1 observa-se uma forma de realização do sistema de iluminação (1), um provete de estudo (2) e um ponto de observação (3), que compreende:

uma fonte de iluminação anelar (4) que compreende um anel de LEDs e que se pode observar separadamente na Figura 2;

uma antepara vertical anelar (5) para guiar a luz proveniente da fonte de iluminação anelar (1), evitando que a luz se dirija diretamente para o objeto sob observação, modificando o perfil de intensidade ao longo da superfície do mesmo;

um refletor anelar (6) cujo ângulo de inclinação foi otimizado para que o campo iluminante nele refletido e que atinge a superfície a observar seja tão homogéneo quanto possível, livre de zonas de diferentes intensidades.

Numa forma de realização, o ponto de observação pode ser implementado por um dispositivo de captura de imagem.

Na figura 2 pode observar-se ampliada em detalhe a área sombreada da Figura 1, onde se indicam igualmente a fonte de iluminação anelar (4), a antepara vertical anelar (5) e o refletor anelar (6).

Numa forma de realização, os dois elementos são ligados rigidamente por parafusos, elementos estes, sobreponiveis com encaixe em alumínio e nylon ou outro material plástico. Este encaixe encontra-se ilustrado na figura 2 pela linha que se encontra à direita do refletor anelar (6) e que separa as duas zonas sombreadas.

Numa utilização durante um ensaio ou uma operação de inspeção, o sistema é colocado a uma distância fixa da superfície a observar, notando-se claramente a alteração do campo ótico incidente nessa superfície à medida que o sistema é aproximado e devendo a distância exata ser a que maximiza a uniformidade do campo iluminante. As medições ou observações podem de imediato ser realizadas com um aparelho de recolha de imagens estando garantida a iluminação ótima da superfície.

Monitorização de fendas de fadiga em provetes metálicos

Depois do provete estar convenientemente carregado na máquina de ensaios e pronto para ser testado, aproxima-se o sistema de iluminação centrando-o com a região sob observação e aproximando-o da superfície até que o campo iluminante seja o mais uniforme possível. A superfície deverá estar limpa de poeiras ou outros artefactos que possam resultar em reflexões de elevada intensidade e possam prejudicar as medições. Aproxima-se em seguida um sistema de recolha de imagens, vulgo câmara fotográfica ou de filmar, garantindo a sua concentricidade com o sistema de iluminação para que as imagens sejam iluminadas o mais uniformemente possível. Procede-se de seguida ao ensaio recolhendo tantas imagens quantas as necessárias para a medição.

A presente realização não é, naturalmente, de modo algum restrita às realizações descritas neste documento e uma pessoa com conhecimentos médios da área poderá prever muitas possibilidades de modificação da mesma sem se afastar da ideia geral, tal como definido nas reivindicações.

As realizações preferenciais acima descritas são obviamente combináveis entre si. As adicionalmente realizações

Lisboa, 17 de novembro de seguintes reivindicações definem preferenciais.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Um sistema de iluminação por luz rasante, caracterizado por compreender:

- uma fonte de iluminação anelar (4);

- um refletor anelar (6) que compreende uma superfície interior concêntrica com um ângulo de inclinação específico, determinado em função da distância a que o sistema de iluminação se encontra de um corpo em análise;

- um ponto de observação (3);

- uma antepara vertical anelar (5), para guiamento da luz proveniente da fonte de iluminação anelar (4) para o refletor anelar (6), cujo comprimento é determinado em função do ângulo de inclinação do refletor anelar (6) e da distância ao referido corpo em análise.

Sistema de iluminação por luz rasante de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por o ponto de observação ser um dispositivo de captura de imagem.

3.

Sistema de iluminação por luz rasante de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado pela fonte de iluminação anelar compreender díodos emissores de luz.
4. Um equipamento de ensaio de fadiga, caracterizado por compreender o sistema descrito em qualquer uma das reivindicações de 1 a 3.
5. Um equipamento de deteção e monitorização de fendas de fadiga, caracterizado por compreender o sistema descrito em qualquer uma das reivindicações de 1 a 3.