Localização de Defeitos Subsuperficiais por Aquecimento Estruturado usando a Termografia Fototérmica Projetada a Laser

Summary

Este método tem como objetivo a localização de defeitos de subsuperfície verticais. Aqui, acoplamos um laser com um modulador de luz espacial e disparamos a sua entrada de vídeo para aquecer uma superfície de amostra deterministicamente com duas linhas moduladas anti-fase enquanto adquirimos imagens térmicas altamente resolvidas. A posição de defeito é recuperada da avaliação dos mínimos de interferência de ondas térmicas.

Abstract

O método apresentado é utilizado para localizar defeitos subsuperficiais orientados perpendicularmente à superfície. Para conseguir isso, criamos campos de ondas térmicas interferindo destrutivamente que são perturbados pelo defeito. Este efeito é medido e usado para localizar o defeito. Formulamos os campos de ondas interferindo destrutivamente usando um projetor modificado. O motor leve original do projetor é substituído por um laser de diodo de alta potência acoplado à fibra. Seu feixe é moldado e alinhado ao modulador de luz espacial do projetor e otimizado para óptima taxa de transferência óptica e projeção homogênea primeiro caracterizando o perfil do feixe e, em segundo lugar, corrigindo mecanicamente e numericamente. Uma câmara infravermelha (IR) de alto desempenho é configurada de acordo com a situação geométrica apertada (incluindo as correções das distorções de imagem geométricas) ea exigência de detectar oscilações de temperatura fraca na superfície da amostra. A aquisição de dados pode ser realizada uma vezA ronização entre as fontes individuais de campo de ondas térmicas, o estádio de varrimento e a câmara de IV é estabelecida utilizando uma configuração experimental dedicada que precisa ser ajustada ao material específico a ser investigado. Durante o pós-processamento dos dados, é extraída a informação relevante sobre a presença de um defeito abaixo da superfície da amostra. É recuperado da parte oscilante da radiação térmica adquirida proveniente da chamada linha de depleção da superfície da amostra. A localização exata do defeito é deduzida da análise da forma espaço-temporal dessas oscilações em uma etapa final. O método é livre de referência e muito sensível a mudanças dentro do campo de ondas térmicas. Até agora, o método foi testado com amostras de aço, mas também é aplicável a diferentes materiais, em particular a materiais sensíveis à temperatura.

Introduction

O método de termografia fototérmica projetada a laser (LPPT) é usado para localizar defeitos subsuperficiais que estão embutidos no volume da amostra de teste e orientados predominantemente perpendiculares à sua superfície.

O método utiliza a interferência destrutiva de dois campos de onda térmica anti-fase do mesmo alongamento e frequência como mostrado na Figura 1b . Em materiais livres de defeitos isotrópicos, as ondas térmicas neutralizam destrutivamente ( ou seja, oscilações de temperatura zero) no plano de simetria por superposição coerente. No caso de um material com defeito subsuperficial, o método aproveita a interação dos componentes laterais ( isto é, no plano) entre o fluxo de calor transiente e esse defeito. Esta interacção pode ser medida num alongamento de temperatura oscilante recriado na linha de simetria na superfície da amostra. Agora, o defeito que contém a amostra é varrido pelo campo da onda térmica superposta eO nível de alongamento da temperatura é medido em relação à posição da amostra. Devido à simetria, a condição de interferência destrutiva é satisfeita novamente quando o defeito cruza o plano de simetria; Isto nos permite localizar o defeito muito sensivelmente. Além disso, uma vez que o nível de perturbação máxima da interferência destrutiva está correlacionado com a profundidade do defeito, é possível determinar a sua profundidade analisando a varredura de temperatura ¹ .

O LPPT pode ser atribuído à metodologia de termografia ativa, um método não destrutivo bem estabelecido, onde o aquecimento transiente é ativamente gerado ea distribuição de temperatura resultante, também transitória, é medida através de uma câmera IR térmica. Em geral, a sensibilidade desta metodologia está limitada a defeitos que são orientados essencialmente perpendiculares ao fluxo de calor transitório. Além disso, uma vez que a equação transitória de condução de calor reguladora é uma parabólica parcialO fluxo de calor para o volume é fortemente amortecido. Como consequência, a profundidade de sondagem da metodologia de termografia activa é limitada a uma região de superfície próxima, geralmente na gama de milímetros. Duas das técnicas de termografia ativa mais comuns são a termografia pulsada e de bloqueio. Eles são rápidos devido à iluminação de superfície óptica plana ² , mas conduzem a um fluxo de calor transiente perpendicular à superfície. Por conseguinte, a sensibilidade destas técnicas está limitada a defeitos predominantemente orientados paralelos ( por exemplo, delaminações ou vazios) para a superfície da amostra aquecida. Uma regra empírica para a termografia pulsada afirma que "o raio do menor defeito detectável deve ser pelo menos uma a duas vezes maior do que sua profundidade sob a superfície" ³ . Para aumentar a área de interacção efectiva entre um defeito perpendicularmente orientado ( por exemplo, uma fissura) eo fluxo de calor, a direcção do fluxo de calor tem de serAlterado. A excitação local, utilizando um laser focado com um ponto linear ou circular, por exemplo, gera um fluxo de calor com uma componente no plano que é capaz de interagir eficazmente com o defeito perpendicular ^{4 , 5 , 6 , 7} .

No método apresentado, também utilizamos os componentes laterais de fluxo de calor para detectar defeitos subsuperficiais, mas usamos o fato de que as ondas térmicas podem ser superpostas, enquanto que os defeitos, especialmente orientados verticalmente, perturbam essa superposição. Desta forma, o método apresentado assemelha-se a um método livre de referência, simétrico e muito sensível, uma vez que é possível detectar defeitos artificiais subterrâneos numa relação largura / profundidade muito inferior a ^8,9 . Até agora, era difícil criar dois campos de ondas térmicas anti-fase que fornecessem energia suficiente. Conseguimos isso bAcoplando um modulador de luz espacial (SLM) a um laser de diodo de alta potência, que nos permitiu mesclar a alta potência óptica do sistema de laser com a resolução espacial e temporal do SLM (ver Figura 2 ) em um projetor de alta potência . Os campos de ondas térmicas são agora criados por conversão fototérmica de dois padrões de linha modulados sinusoidalmente anti-fase através do brilho de pixel da imagem projectada (ver Figura 2 , Figura 1a ). Isto leva ao aquecimento estruturado da superfície da amostra e resulta em campos de ondas térmicas de interferência destrutiva bem definidos. A fim de encontrar um defeito subterrâneo, a perturbação da inferência destrutiva é medida como uma oscilação de temperatura na superfície usando uma câmera IR.

O termo onda térmica é controversamente discutido porque as ondas térmicas não transportam energia devido ao caráter difusivo da propagação do calor. Ainda assim, há um comportamento ondulatório quando hea Permitindo que usemos semelhanças entre ondas reais e processos de difusão ^{10 , 11 , 12} . Assim, uma onda térmica pode ser entendida como altamente amortecida na direcção de propagação, mas periódica ao longo do tempo ( Figura 1b ). O comprimento de difusão térmica característico É aqui descrita pelas suas propriedades materiais (condutividade térmica k , capacidade térmica c _p e densidade ρ ) e a frequência de excitação ƒ. Embora a onda térmica esteja em decomposição forte, sua natureza ondulatória pode ser aplicada para obter uma visão das propriedades da amostra. A primeira aplicação de interferência de ondas térmicas foi utilizada para determinar a espessura das camadas. Em contraste com o nosso método, o efeito de interferência foi utilizado na dimensão da profundidade ( ou seja, perpendicular à superfície) 13) Ampliando a idéia de interferência a uma segunda dimensão pela divisão de um feixe de laser, a interferência de ondas térmicas foi usada para dimensionar defeitos de subsuperfície ^14. Ainda este método foi aplicado em configuração de transmissão, o que significa que foi limitado pela penetração Além disso, uma vez que apenas uma fonte de laser foi utilizada, este método aplica-se interferência construtiva, o que significa que é necessária uma referência sem defeitos.Além da idéia de usar a interferência de ondas térmicas, a primeira abordagem técnica para o espaço e O aquecimento temporalmente controlado foi realizado por Holtmann et al., Utilizando um projector de cristal líquido (LCD) não modificado com a fonte de luz incorporada, que estava severamente limitada na sua potência de saída óptica ^15. Outras abordagens por Pribe e Ravichandran visavam aumentar o alcance óptico Potência de saída acoplando também um laser a um SLM ^{16 ,} S = "xref"> 17.

O protocolo aqui apresentado descreve como aplicar o método LPPT para localizar defeitos subsuperficiais orientados perpendicularmente à superfície de amostras de aço. O método está numa fase inicial, mas suficientemente poderoso para validar a abordagem proposta; Contudo, ainda é limitada em termos da potência de saída óptica alcançável da configuração experimental. Uma vez que o aumento da potência de saída óptica continua a ser um desafio, o método apresentado é aplicado a entalhes fabricados com eléctrodos revestidos com eletricidade artificial. No entanto, as etapas mais importantes e mais críticas do protocolo, gerando uma iluminação estruturada homogênea, atendendo aos pré-requisitos para interferência de ondas térmicas destrutivas, e localizando o defeito, ainda mantêm para defeitos mais exigentes. Uma vez que a quantidade governante é o comprimento de difusão térmica μ, o método LPPT também pode ser aplicado a numerosos materiais diferentes.

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Figura 1: Princípio de efeito de interferência destrutiva. (A) Esquema do padrão de iluminação utilizado durante as experiências. A amostra é aquecida espacial e temporalmente por dois padrões iluminados periodicamente com um desvio de fase de π. A linha tracejada representa a linha de simetria entre os dois padrões. Esta linha será usada para avaliação como uma "linha de esgotamento". ( B ) Diagrama do resultado térmico alternado resolvido espacial e temporalmente calculado a partir da solução analítica da equação de condução térmica térmica. Mostra as ondas térmicas que respondem à iluminação de (a) com uma irradiância dos dois padrões com P _{opt 1} = 1,5 W sin (2π 0,125 Hz t ) + 1,5 W e P _{opt 2} = 1,5 W sin (2π 0,125 Hz t + Π) + 1,5 W para aço de construção ρ </Em> = 7,850 kg / m3, c _p = 461 J / (kg · K), k = 54 W / (m · K). O perfil de temperatura na linha tracejada não apresenta oscilação térmica para material isotrópico homogêneo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: Esquema do princípio de medição do aquecimento estruturado utilizado na termografia activa. Um feixe gaussiano homogeneizado para um perfil de topo é aplicado a um modulador de luz espacial (SLM). O SLM resolve o feixe espacialmente por seus elementos comutáveis ​​e temporalmente por sua velocidade de comutação. Cada elemento representa um pixel SLM. Nesta experiência, o SLM é um dispositivo de micro espelho digital (DMD). Modulando o brilho de pixel A com um software de controlo determinista de tempo, a superfície de amostraÉ aquecida de forma estruturada. No caso da experiência apresentada, modulamos duas linhas anti-fase (fases: φ = 0, π), que são a origem de campos de ondas térmicas de interferência coerente na freqüência angular ω. Os campos de onda interagem com a estrutura interna da amostra também influenciando o campo de temperatura na superfície. Isto é medido através de sua radiação térmica por uma câmera infravermelha de onda média. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Protocol

NOTA: Atenção: Por favor, preste atenção à segurança do laser porque a instalação usa um laser de classe 4. Por favor, use óculos e roupas de proteção corretas. Além disso, lidar com o laser piloto com cuidado. 1. Junte o laser de diodo ao kit de desenvolvimento do projetor (PDK) Prepare o breadboard. Pré-montar todos os dispositivos para a prancheta como mostrado na Figura 3 . Coloque o breadboard com todos os dispositivos pré-montados em um la…

Representative Results

Seguindo o protocolo, o lado 1 da amostra de aço com um defeito sub-superficial a uma profundidade de 0,25 mm foi escolhido para gerar resultados representativos. O defeito foi inicialmente posicionado aproximadamente no centro da área iluminada. A amostra foi então movida de -5 mm para 5 mm através da fase linear a uma velocidade de 0,05 mm / s. Usando estes parâmetros, a Figura 11a mostra os dados de varrimento depois de os extrair da linha de esgotamento. Nesta f…

Discussion

O protocolo apresentado descreve como localizar defeitos artificiais subterrâneos orientados perpendicularmente à superfície. A idéia principal do método é criar campos de ondas térmicas interferentes que interajam com o defeito subterrâneo. Os passos mais importantes são (i) combinar um SLM com um laser de diodo para criar dois padrões de iluminação alternados de alta potência na superfície da amostra; Estes padrões são convertidos fototermicamente em campos de ondas térmicas coerentes, (ii) para deix?…

Materials

500 W diode laser system, 940 nm	Laserline	LDM 500 – 20	Pilot laser class 2 @ 650 nm, diode laser is a class 4 laser system –> special laboratory needed
Laser control box	Laserline	Laser control box LDM	Add on to the laser system, used to switch electronically, laser threshold, shutter, laser on 0 V ..5 V TTL
Control box scanner	Laserline		Add on to the laser system, used to adjust the optical output power via analog signal from 0 V..10 V
Fiber Laser Mount 2", f = 80 mm	Laserline		Add on to the laser system
Multifunction Data Aquisition (DAQ) Device + BNC Terminal	National Instruments	NI-USB 6251	The DAQ card is used to trigger the IR camera,  the DLP Light Commander 5500, control Laser and diode PDA 36A
Standard – PC			Control PC – graphic card for two screens, at least 4 x USB, Windows based
BNC cabel			Standard cable
HDMI cable			Standard cable
Micro USB to USB cable			Standard cable
LabVIEW 2013 SP1 Development System	National Instruments		Development environment for device control
LPPT control software	BAM		part of the LPPT software package by LabVIEW 2013 SP1
LPPT intensity  software	BAM		part of the LPPT software package by LabVIEW 2013 SP1
LPPT laser control software	BAM		part of the LPPT software package by LabVIEW 2013 SP1
Matlab 2016b	MathWorks		Postprocessing of the measurement data
LPPT postprocessing software	BAM		Postprocessing of the measurement data
IR camera control PC	InfraTec		Control PC is supplied by camera distributor
IR camera control software	InfraTec	Irbis 3 Professional
InfraTec SDK	InfraTec		Dynamic Link Library as interface between the native data aquisition format of Infratec and Matlab
IR camera	InfraTec	Image IR 8300	640 x 512, cooled InSb detector, wavelength 2 µm..5.7 µm, noise = 20 mK + accessories (LAN cable, Digital in/out cable, space ring, power supply, case)
Tripod	Manfrotto	161MK2B
IR camera mount	Manfrotto	405
Projector development kit (PDK) for digital light processing (DLP) technology (DLP Light Commander 5500)	Logic PD	DLP-LC-DLP5500-10R	DLP5500 Digital Micromirror Device from Texas Instruments included , light engine and case need to be disassembed
PDK control software	Logic PD		Included when delivered, DLP Light Commander control software
Mechanical platform for the PDK	BAM		Self made (140 x 230 x 420) mm
Power meter control unit	Ophir	Vega	USB Interface
30 W power meter head	Ophir	30(150)A-LP1-18	Power meter head to determine Transmission of the projector system
500 W power meter head	Ophir	FL500A	Power meter for process supervision
Motion controller	Newport	ESP301	with USB Interface
Translation stage	Newport	M-ILS200CC	Connected to ESP301
Photodiode with amplifier	Thorlabs	PDA 36A-EC	1" mount
Reflective filter ND1	Thorlabs	ND10A	to be mounted to the PDA 36A
Pinhole 1"	Thorlabs	P1000S	to be mounted to the PDA 36A
Optical aluminium breadboard	Thorlabs	MB60120/M	(1200 mm x 900 mm) base
Plano Convex Lens f = 200 mm	Thorlabs	LA1979-B	Coated for IR, first telescope lens
Plano Convex Lens f = 75 mm	Thorlabs	LA1145-B	Coated for IR, second telescope lens
xy-translation stage	Newport	M401	Used for adjusting the telecope
Beamsampler	Thorlabs	BSF20-B	Splits the optical output, used to reduce the optical input for the projector system
Mirror	Thorlabs	BB2-E03	Mirror for coupling the beam to the DLP Light Commander
Heavy duty lab jack	Thorlabs	L490	Used for the fiber mount and on top of the linear stage to position the sample (2x)
PDK-objective	Nikon	Nikon AF Nikkor 50 mm 1:1:8:D	Objective for DLP Light Commander, 50 mm
Plano Convex Lens f = 100 mm	Thorlabs	LA1050 -B	Lens is attached to the Nikon Objective
Bi-Convex Lens f = 60 mm	Thorlabs	LB1723 -B	Lens to be attached to the Nikon objective in order to determine the optical transmission with the 30 W measurement head
Square protected gold mirror	Thorlabs	PFSQ20-03-M01
High power IR sensor card	Newport	F-IRC-HP-M	Sensor card to check the optical pathway
2" crosshairs	BAM		Selfmade
1" crosshairs	BAM		Selfmade
Bullseye level	Thorlabs	LCL01
Translation Stage	Newport	M-UMR8.25	Used for measuring the beam profile
Micrometer screw	Newport	DM17-25	Used with translation stage M-UMR8.25
Mounted Zero Aperture Iris	Thorlabs	ID75Z/M	used to check the optical pathway
Bases and Post Holders Essentials Kit, Metric and Universal Components	Thorlabs	ESK01/M	Basis
Posts & Accessories Essentials Kit, Metric and Universal Components	Thorlabs	ESK03/M
M6 Cap Screw and Hardware Kit	Thorlabs	HW-KIT2/M
Construction Rails	Thorlabs	XE25L700/M
1" Construction Cube	Thorlabs	RM1G	Used to mount construction rails
Electrical discharge machining	Sodick	AG60L	www.sodick.de
St37 block of steel (100 x 100 x 40) mm	BAM		selfmade, hidden defect with remaining wall thicknesses of 0.25 mm, 0.5 mm, 0.70 mm 1.25 mm (shown in Fig. 5)
St37 block of steel (100 x 100 x 40) mm	BAM		selfmade, hidden defect with remaining wall thicknesses of 1 mm, 1.5 mm, 1.75 mm, 2 mm (shown in Fig. 5)
Graphite spray	CRC Industries Europe NV	GRAPHIT 33	Ref. 20760, 200 ml aerosol (Kontakt-Chemie)
Protective tape	Tesa	tesakrepp 4348	used to protect the hidden defects while coating