Upload
others
View
3
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
ANALIZA MIKROUSZKODZEŃ W OBIEKTACH ZABYTKOWYCH PRZY UŻYCIU METOD OPTYCZNYCH I AKUSTYCZNYCH
MICHAŁ ŁUKOMSKI
Obszary badań nauk ścisłych w ochronie dziedzictwa
• przemiany w materiałach i obiektach zabytkowych
• techniki i procedury zapobieganie niszczeniu
• bezpieczne udostępnianie
Gentile da Fabriano, (ok. 1370-1427), tempera na desce
Powstawanie i narastanie uszkodzeń w obiektach wykonanych z materiałów higroskopijnych
sorpcja/desorcja pary wodnej spowodowana zmianą wilgotności względnej otoczenia
odpowiedź metryczna materiałów
powstanie naprężeń na granicach warstw
uszkodzenia: pękanie i odspajanie
Warunki przechowywania
Stan zachowania
Warunki przechowywania
Stan zachowania
Modelwłaściwości sorpcyjne,
mechaniczne, reologiczne
konstrukcja poszczególnych
elementów
zmęczenie materiału,degradacja biologiczna i
chemiczna
OBIEKT
PROCESY
MATERIAŁY
Powstawanie i narastanie uszkodzeń w obiektach wykonanych z materiałów higroskopijnych
Zmiany wywołane bodźcami klimatycznymi – powolne, kumulacyjne
obiektnieuszkodzony
widoczne uszkodzenie
czas
mikro-uszkodzenie
Cechy systemu pomiarowego:czułość; możliwość częstego powtarzania pomiarów
Bezpośrednie metody śledzenia narastania mikro-uszkodzeń wywołanych przez bodźce klimatyczne
• Interferometria plamkowa
• Emisja akustyczna
• Interferencyjne siatki Bragga
Interferometria plamkowa - digital speckle pattern interferometry (DSPI)
• wykrywanie uszkodzeń powierzchni• charakterystyka wykrytych uszkodzeń• monitorowanie zmian w czasie
wysoka czułośćłatwość użycia
automatyczna analiza wyników pomiarowych
DSPI ze wzbudzeniem termicznym
DSPI
pomiar lokalnych odkształceń wywołanych zmianą rozkładu temperatury powierzchni
• Bardzo czułaale• niepowtarzalna• jakościowa
Analiza wibracji powierzchni
DSPI
Częstotliwość rezonansowa
Rozmiar drgającego obszaru
Przestrzenny rozkład amplitudy wibracji
Time-averaged DSPI – zasada działania
),(cos2)(01 yxIIIIrI riri
nr 2)(
)12()( nr
maksymalna korelacja
minimalna korelacja
)()( 0102 rIrIrI
DSPI
),(),(cos2)(02 yxyxIIIIrI riri Przesunięcie powierzchni obiektu o δz powoduje powstanie dodatkowej różnicy faz
),(4)(
yxzr
δz
wibracja obiektu na jednej częstotliwości:
)cos()(4
),( trz
r
Time-averaged DSPI – analiza drgań
DSPI δz
czas obserwacji >> okres wibracji:
)(
4)(cos2)( 0 rzJrIIIIrI riri
dtrIrI )(
aJrIIIII oror
4cos2 0
Rejestrowane natężenie światła jest niemonotoniczną funkcją amplitudy wibracji obiektu
phase stepping
algorithm
aJIII or
42 0
12
34
Time-averaged DSPI – analiza fazowa
Pęknięcia i odspojenia warstwy malarskiej
Analiza jest tylko częściowo automatyczna.
Wymaga:• Podziału na oddzielnie drgające fragmenty
powierzchni• Określenia pozycji pierwszego maksimum
funkcji J0 w rejestrowanym obrazie interferencyjnym
Inne podejście
aJIII or
42 0
-0.5
0.0
0.5
1.0
J0
vibration amplitude
Amplituda wibracji ~ ciśnienie
Wykonywanie serii pomiarów ze zwiększającym się natężeniem dźwięku pozwala na "śledzenie" funkcji J0 i określenie w ten sposób amplitudy drgań w każdym punkcie obrazu niezależnie.
Odtworzenie amplitudy wibracji
Amplituda wibracji jest wyznaczana przez numeryczne dopasowanie funkcji J0 do zmierzonego natężenia światła w każdym punkcie obrazu.
aJyxI
4, 0
Automatyczna analiza wyników
Nawet bardzo niewielkie drgania układu pomiarowego względem badanej powierzchni prowadzą do niekontrolowanych, skokowych zmian fazy i zaburzają procedurę pomiarową.
Stabilność układu pomiarowego –kolekcja Faras
DSPI
Układ szerograficzny - digital speckleshearing pattern interferometry (DSSPI)
Rejestracja w układzie
interferometru Michelsona:
przesunięcie obrazu
uzyskiwane przy pomocy
obrotu lustra.
Dwa obrazy plamkowe
interferują w każdym punkcie
matrycy.
DSSPI • wysoka czułość• możliwość pomiaru w
niestabilnych warunkach
(poza laboratorium)
• możliwość zastosowania
automatycznej metody
analizy wyników pomiaru
(dla δx większego od
rozmiaru analizowanego
defektu)
ALE
Trudności w interpretacji gdy
analizowana jest duża liczba
defektów, lub gdy defekty są
bardzo duże.
DSPI oraz DSSPI w jednym urządzeniu pomiarowym
Analiza defektów powierzchni fresku
5 500 Hz
Inerferometr plamkowy
Może skutecznie wspierać proces zarządzania warunkami przechowywania obiektów dostarczając opiekunom zbiorów informacji na temat stanu zachowania obiektów.
Prosty w użyciu.
W pełni automatyczna analiza danych pomiarowych, szybka i odporna na propagację błędów.
Sprawdzony na rzeczywistych obiektach muzealnych również w warunkach in situ.
Emisja akustyczna w pomiarze rozwoju mikrouszkodzeń
Pomiar fali akustycznej powstającej podczas mikro-pękania struktury obiektu
sygnał EA: 10 μm2
W objętości30x15x15 cm
Metoda jest:- pasywna- nieniszcząca- bardzo czuła
Pomiar narastania uszkodzeń
• Metoda umożliwia ciągły pomiar mikro-pękania materiałów, wywołanego zmianami temperatury i wilgotności otoczenia.
• Pozwala lokalizować powstające uszkodzenia w przestrzeni i w czasie.
Emisja akustyczna w monitorowaniu obiektów zabytkowych
• Bezpieczeństwo
• Długoczasowa stabilność
• Redukcja środowiskowego szumu
• Ilościowa interpretacja wyników
System pomiarowy
czujnik przedwzm.
odsprz.
sygnał sygnał
+24V+24V
zasilacz
+30V
W pobliżu obiektu
amplifier
analogue input card
sygnał
sygnał
RMS RMS
sygnał
• bezpieczeństwo• stabilność• redukcja szumu
UTM
czujniki EA
kamera
CCD
próbka
Kalibracja układu pomiarowego
348 350 352 354 356 358 360 362 364
0
3k
6k
9k
12k
S
ku
mu
low
an
a e
nerg
ia E
A (
j. u
mo
w.)
Czas (s)
0
40
80
120
160
200
Po
wie
rzch
nia
pękn
ięcia
(m
m2)
skumulowana energia EA
powierzchnia pęknięcia
Zmierzona energia Emisji Akustycznej jest przeliczana na długość pęknięcia próbki.
Komoda, XVIII w.,konstrukcja dębowa, pokryta laką japońską
Dwa czujniki EA przyklejono (odwracalnie) do szuflady i ściany bocznej komody w pobliżu widocznych uszkodzeń drewna i laki.
Instalacja czujników
Wstępne wyniki monitorowania
2013-11-15 2014-01-15 2014-03-15 2014-05-15 2014-07-15
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
T szuflada
RH bok
1 tygodniowa średnia
T (
°C)
/ w
ilg
. w
zg
l. (
%)
czas
0
100
200
300
2000
4000
6000
En
erg
ia E
A (
j. u
mo
w.)
Analiza korelacji sygnału EA i wilgotności względnej w galerii
Całkowity rozmiar uszkodzenia nie przekracza 1 mm2
54 52 50 48 46 44 42 40 38 36 34
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Śre
dn
ia e
ne
rgia
EA
na
sp
ad
ek w
ilg. w
zg
l. (
j. u
mo
w.)
wilg. wzgl. (%)
Emisja akustyczna w monitorowaniu obiektów zabytkowych
• bardzo czuła, stabilna, odporna na szum środowiskowy,
• pozwala ustalić korelacje miedzy narastaniem uszkodzenia i wywołującym je bodźcami
• komplementarna względem metod optycznych
Obiekty tekstylne
Interferometria plamkowa
Emisja Akustyczna
niestabilne geometrycznie
luźna struktura i wysoki
współczynnik tłumienia dźwięku
Źródłem zagrożeń jest odkształcenie
Potrzebujemy odpowiedniego tensometru
Światłowodowe siatki Bragga (FBG)
rdzeń 9um
płaszcz125um
światłowód
Laser UV 244nm
L
W wyniku interferencji ultrafioletowych wiązek laserowych następuje zmiana periodyczna współczynnika załamania światła rdzenia .
Szklany rdzeń
Płaszcz szklany Płaszcz polimerowy Siatka dyfrakcyjna
L
L nB 2Warunek
Bragga
dł. fali
na
tęże
nie
B
dł. fali
na
tęże
nie
B
dł. fali
na
tęże
nie
Gdy stała siatki jest równa połowie długości fali przenoszonej przez światłowód następuje spójne odbicie.
Światłowodowe siatki Bragga (FBG)
Światłowodowe siatki Bragga (FBG)
1533.2
1533.3
1533.4
1533.5
1533.6
1533.7
20 30 40 50 60Temperatura (oC)
dł. F
ali
(nm
)
10 pm/oC
1299.2
1299.3
1299.4
1299.5
1299.6
1299.7
0 100 200 300Odkształcenie (m)
dł. F
ali
(nm
)1pm/m
400 500 6001299.1
dł. fali Bragga zmienia się liniowo w funkcji odkształcenia i
temperatury
L
L
n
n
B
B )(
a Tb+
B
dł. fali
na
tęże
nie
Czujniki FBG do monitorowania zabytkowych obiektów tekstylnych
• Dobór odpowiedniego światłowodu (rdzeń i pokrycie).
• Kompensacja wpływu temperatury i wilgotności względnej na deformację światłowodu w czasie pomiaru (dodatkowy czujnik).
• Połączenie czujnika z badaną tkaniną.
• Nie jest konieczna stabilizacja źródła światła.• Pomiar jest bardzo szybki.
Światłowód
stopień przeniesienia odkształcenia z płaszcza do rdzenia
odpowiedź czujnika na cykliczną zmianę odkształcenia
Właściwości mechaniczne czujników światłowodowych z pokryciem akrylowym (aFBG) oraz ceramicznym (cFBG).
Monitorowanie deformacji tkanin
Połączenie światłowodu z tkaniną : klejenie, wszywanie, wplatanie …
Uchwyty magnetyczne:
• nieniszczące
• zapewniają dobre przeniesienie odkształceń
• wielokrotnego użycia - łatwe do zamontowania i zdemontowania
Roczny monitoring gobelinu w Muzeum Narodowym w Krakowie
Zakres odkształceń występujących podczas ekspozycji
Nieliniowa zależność pomiędzy zmianą wilgotności względnej otoczenia a odkształceniem tkaniny
Co dalej?
Simone Martini,Zwiastowanie (1333) - fragment
Charakteryzowanie stanu obiektów na poziomie mikro
• Potwierdzanie autentyczności
• Określanie atrybucji
• Analiza materiałów i technik malarskich