ANALIZA MIKROUSZKODZEŃ W OBIEKTACH ZABYTKOWYCH PRZY UŻYCIU METOD OPTYCZNYCH I AKUSTYCZNYCH MICHAŁ ŁUKOMSKI

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "ANALIZA MIKROUSZKODZEŃ W OBIEKTACH ZABYTKOWYCH PRZY UŻYCIU METOD OPTYCZNYCH I AKUSTYCZNYCH MICHAŁ ŁUKOMSKI"

Seweryn Romanowski
7 lat temu
Przeglądów:

1 ANALIZA MIKROUSZKODZEŃ W OBIEKTACH ZABYTKOWYCH PRZY UŻYCIU METOD OPTYCZNYCH I AKUSTYCZNYCH MICHAŁ ŁUKOMSKI

2 Obszary badań nauk ścisłych w ochronie dziedzictwa przemiany w materiałach i obiektach zabytkowych techniki i procedury zapobieganie niszczeniu bezpieczne udostępnianie Gentile da Fabriano, (ok ), tempera na desce

Powstawanie i narastanie uszkodzeń w obiektach wykonanych z materiałów higroskopijnych sorpcja/desorcja pary wodnej spowodowana zmianą wilgotności

3 Powstawanie i narastanie uszkodzeń w obiektach wykonanych z materiałów higroskopijnych sorpcja/desorcja pary wodnej spowodowana zmianą wilgotności względnej otoczenia Warunki przechowywania odpowiedź metryczna materiałów powstanie naprężeń na granicach warstw uszkodzenia: pękanie i odspajanie Stan zachowania

4 Powstawanie i narastanie uszkodzeń w obiektach wykonanych z materiałów higroskopijnych OBIEKT konstrukcja poszczególnych elementów Warunki przechowywania MATERIAŁY właściwości sorpcyjne, mechaniczne, reologiczne Model PROCESY zmęczenie materiału, degradacja biologiczna i chemiczna Stan zachowania

5 Zmiany wywołane bodźcami klimatycznymi powolne, kumulacyjne obiekt nieuszkodzony mikro-uszkodzenie widoczne uszkodzenie czas Cechy systemu pomiarowego: czułość; możliwość częstego powtarzania pomiarów

6 Bezpośrednie metody śledzenia narastania mikro-uszkodzeń wywołanych przez bodźce klimatyczne Interferometria plamkowa Emisja akustyczna Interferencyjne siatki Bragga

7 Interferometria plamkowa - digital speckle pattern interferometry (DSPI) wykrywanie uszkodzeń powierzchni charakterystyka wykrytych uszkodzeń monitorowanie zmian w czasie wysoka czułość łatwość użycia automatyczna analiza wyników pomiarowych

8 DSPI ze wzbudzeniem termicznym DSPI pomiar lokalnych odkształceń wywołanych zmianą rozkładu temperatury powierzchni Bardzo czuła ale niepowtarzalna jakościowa

9 Analiza wibracji powierzchni Rozmiar drgającego obszaru DSPI Częstotliwość rezonansowa Przestrzenny rozkład amplitudy wibracji

10 Time-averaged DSPI zasada działania δz I01( r) Ii Ir 2 IiIr cos ( x, y) DSPI I02( r) Ii Ir 2 IiIr cos ( x, y) ( x, y) I r I r) I ( ) 02( 01 r Przesunięcie powierzchni obiektu o δz powoduje powstanie dodatkowej różnicy faz ( r) 4 z( x, y) ( r) 2n ( r) (2n 1) maksymalna korelacja minimalna korelacja

11 Time-averaged DSPI analiza drgań wibracja obiektu na jednej częstotliwości: 4 z( r) ( r, ) cos( t) czas obserwacji >> okres wibracji: δz DSPI I ( r) I r dt I 4 ( r) Ii Ir 2 IiIr cos 0 r) ( r) J z(

Time-averaged DSPI analiza fazowa I I r I o phase stepping algorithm 4 r J a 2 IrIo cos 0 1 2 3 4 I

12 Time-averaged DSPI analiza fazowa I I r I o phase stepping algorithm 4 r J a 2 IrIo cos I 2 I rio J 0 4 a Rejestrowane natężenie światła jest niemonotoniczną funkcją amplitudy wibracji obiektu

13 Pęknięcia i odspojenia warstwy malarskiej Analiza jest tylko częściowo automatyczna. Wymaga: Podziału na oddzielnie drgające fragmenty powierzchni Określenia pozycji pierwszego maksimum funkcji J 0 w rejestrowanym obrazie interferencyjnym

14 Inne podejście I 2 IrIo J0 4 a J vibration amplitude Amplituda wibracji ~ ciśnienie Wykonywanie serii pomiarów ze zwiększającym się natężeniem dźwięku pozwala na "śledzenie" funkcji J 0 i określenie w ten sposób amplitudy drgań w każdym punkcie obrazu niezależnie.

15 Odtworzenie amplitudy wibracji Amplituda wibracji jest wyznaczana przez numeryczne dopasowanie funkcji J 0 do zmierzonego natężenia światła w każdym punkcie obrazu. I 4 x y J a, 0

16 Automatyczna analiza wyników

17 Stabilność układu pomiarowego kolekcja Faras Nawet bardzo niewielkie drgania układu pomiarowego względem badanej powierzchni prowadzą do niekontrolowanych, skokowych zmian fazy i zaburzają procedurę pomiarową. DSPI

18 Układ szerograficzny - digital speckle shearing pattern interferometry (DSSPI) Rejestracja w układzie interferometru Michelsona: przesunięcie obrazu uzyskiwane przy pomocy obrotu lustra. Dwa obrazy plamkowe interferują w każdym punkcie matrycy.

19 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.

20 DSPI oraz DSSPI w jednym urządzeniu pomiarowym

21 Analiza defektów powierzchni fresku Hz

Inerferometr plamkowy Może skutecznie wspierać proces zarządzania warunkami przechowywania obiektów dostarczając opiekunom zbiorów informacji na temat stanu zachowania obiektów.

22 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.

23 Emisja akustyczna w pomiarze rozwoju mikrouszkodzeń Pomiar fali akustycznej powstającej podczas mikro-pękania struktury obiektu Metoda jest: - pasywna - nieniszcząca - bardzo czuła sygnał EA: 10 μm 2 W objętości 30x15x15 cm

24 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.

25 Emisja akustyczna w monitorowaniu obiektów zabytkowych Bezpieczeństwo Długoczasowa stabilność Redukcja środowiskowego szumu Ilościowa interpretacja wyników

26 System pomiarowy RMS analogue input card RMS sygnał sygnał czujnik przedwzm. +24V +24V odsprz. amplifier sygnał sygnał +30V sygnał W pobliżu obiektu bezpieczeństwo stabilność redukcja szumu zasilacz

27 Kalibracja układu pomiarowego kamera CCD czujniki EA próbka UTM Skumulowana energia EA (j. umow.) Zmierzona energia Emisji Akustycznej jest przeliczana na długość pęknięcia próbki. 12k 9k 6k 3k skumulowana energia EA powierzchnia pęknięcia Czas (s) Powierzchnia pęknięcia (mm 2 )

28 Komoda, XVIII w., konstrukcja dębowa, pokryta laką japońską

29 Instalacja czujników Dwa czujniki EA przyklejono (odwracalnie) do szuflady i ściany bocznej komody w pobliżu widocznych uszkodzeń drewna i laki.

30 Wstępne wyniki monitorowania T szuflada RH bok 65 1 tygodniowa średnia 4000 T ( C) / wilg. wzgl. (%) Energia EA (j. umow.) czas

Analiza korelacji sygnału EA i wilgotności względnej w galerii 400 350 Średnia energia EA na spadek wilg. wzgl. (j. umow.

31 Analiza korelacji sygnału EA i wilgotności względnej w galerii Średnia energia EA na spadek wilg. wzgl. (j. umow.) wilg. wzgl. (%) Całkowity rozmiar uszkodzenia nie przekracza 1 mm 2

32 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

33 Obiekty tekstylne Interferometria plamkowa niestabilne geometrycznie Emisja Akustyczna luźna struktura i wysoki współczynnik tłumienia dźwięku Źródłem zagrożeń jest odkształcenie Potrzebujemy odpowiedniego tensometru

34 Światłowodowe siatki Bragga (FBG) Laser UV 244nm W wyniku interferencji ultrafioletowych wiązek laserowych następuje zmiana periodyczna współczynnika załamania światła rdzenia. światłowód L płaszcz 125um rdzeń 9um Szklany rdzeń Płaszcz szklany Płaszcz polimerowy Siatka dyfrakcyjna

35 natężenie natężenie natężenie Światłowodowe siatki Bragga (FBG) Warunek Bragga B 2nL B dł. fali dł. fali B L dł. fali Gdy stała siatki jest równa połowie długości fali przenoszonej przez światłowód następuje spójne odbicie.

36 dł. Fali (nm) dł. Fali (nm) natężenie Światłowodowe siatki Bragga (FBG) dł. fali Bragga zmienia się liniowo w funkcji odkształcenia i temperatury B dł. fali B ( nl nl B ) a + b T pm/ o C pm/m Temperatura ( o C) Odkształcenie (m)

37 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.

38 stopień przeniesienia odkształcenia z płaszcza do rdzenia odpowiedź czujnika na cykliczną zmianę odkształcenia Światłowód Właściwości mechaniczne czujników światłowodowych z pokryciem akrylowym (afbg) oraz ceramicznym (cfbg).

39 Monitorowanie deformacji tkanin Połączenie światłowodu z tkaniną : klejenie, wszywanie, wplatanie Uchwyty magnetyczne: nieniszczące zapewniają dobre przeniesienie odkształceń wielokrotnego użycia - łatwe do zamontowania i zdemontowania

40 Roczny monitoring gobelinu w Muzeum Narodowym w Krakowie Zakres odkształceń występujących podczas ekspozycji Nieliniowa zależność pomiędzy zmianą wilgotności względnej otoczenia a odkształceniem tkaniny

41 Co dalej? Charakteryzowanie stanu obiektów na poziomie mikro Potwierdzanie autentyczności Określanie atrybucji Analiza materiałów i technik malarskich Simone Martini, Zwiastowanie (1333) - fragment

Podobne dokumenty

Nowoczesne metody śledzenia rozwoju mikrouszkodzeń

Nowoczesne metody śledzenia rozwoju mikrouszkodzeń badania średniowiecznego ołtarza w kościele w Hedalen w Norwegii oraz malarstwa tablicowego ze zbiorów Muzeum Narodowego w Krakowie Michał Łukomski Instytut