Untergrundfehler-Lokalisierung durch strukturierte Erwärmung mittels laserprojektierter photothermischer Thermografie

Summary

Diese Methode zielt darauf ab, vertikale Untergrunddefekte zu lokalisieren. Hier koppeln wir einen Laser mit einem räumlichen Lichtmodulator und lösen seinen Videoeingang aus, um eine Probenoberfläche deterministisch mit zwei anti-phased modulierten Linien zu erwärmen, während hochaufgelöste thermische Bilder aufgenommen werden. Die Fehlerposition wird von der Auswertung von thermischen Welleninterferenzminima abgerufen.

Abstract

Die dargestellte Methode wird verwendet, um unterirdische Defekte zu lokalisieren, die senkrecht zur Oberfläche orientiert sind. Um dies zu erreichen, schaffen wir destruktiv interferierende thermische Wellenfelder, die durch den Defekt gestört werden. Dieser Effekt wird gemessen und verwendet, um den Defekt zu lokalisieren. Wir bilden die zerstörerisch störenden Wellenfelder mit einem modifizierten Projektor. Die ursprüngliche Lichtmaschine des Projektors wird durch einen fasergekoppelten Hochleistungs-Diodenlaser ersetzt. Sein Strahl ist geformt und auf den räumlichen Lichtmodulator des Projektors ausgerichtet und optimiert für optimalen optischen Durchsatz und homogene Projektion, indem er zuerst das Strahlprofil charakterisiert und zweitens mechanisch und numerisch korrigiert. Eine Hochleistungs-Infrarot- (IR-) Kamera wird entsprechend der engen geometrischen Situation (einschließlich Korrekturen der geometrischen Bildverzerrungen) und der Anforderung, schwache Temperaturschwingungen an der Probenoberfläche zu detektieren, aufgebaut. Die Datenerfassung kann nach einer Synchronisation durchgeführt werdenDie Ronisierung zwischen den einzelnen thermischen Wellenfeldquellen, der Abtaststufe und der IR-Kamera wird durch die Verwendung eines dedizierten experimentellen Aufbaus hergestellt, der auf das zu untersuchende spezifische Material abgestimmt werden muss. Während der Daten nach der Verarbeitung werden die relevanten Informationen über das Vorhandensein eines Defekts unterhalb der Oberfläche der Probe extrahiert. Es wird aus dem oszillierenden Teil der erworbenen Wärmestrahlung, die von der sogenannten Verarmungslinie der Probenoberfläche kommt, abgerufen. Die genaue Lage des Defektes ergibt sich aus der Analyse der räumlich-zeitlichen Form dieser Schwingungen in einem abschließenden Schritt. Die Methode ist referenzfrei und sehr empfindlich gegenüber Veränderungen innerhalb des thermischen Wellenfeldes. Bisher wurde das Verfahren mit Stahlproben getestet, ist aber auch für verschiedene Materialien, insbesondere für temperaturempfindliche Materialien, anwendbar.

Introduction

Das laserprojizierte photothermische Thermographieverfahren (LPPT) wird verwendet, um unterirdische Defekte zu lokalisieren, die in das Volumen des Probekörpers eingebettet sind und vorwiegend senkrecht zu seiner Oberfläche orientiert sind.

Das Verfahren verwendet die zerstörende Interferenz von zwei anti-phasengesteuerten thermischen Wellenfeldern der gleichen Dehnung und Frequenz, wie in 1b gezeigt . Bei isotropen fehlerfreien Materialien neutralisieren die thermischen Wellen destruktiv ( dh Nulltemperaturschwingung) an der Symmetrieebene durch kohärente Überlagerung. Im Falle eines Materials mit einem Untergrunddefekt nutzt das Verfahren die Wechselwirkung der seitlichen ( dh in der Ebene liegenden) Komponenten zwischen dem transienten Wärmestrom und diesem Defekt. Diese Wechselwirkung kann in einer neu erzeugten Oszillationstemperaturdehnung an der Symmetrielinie auf der Probenoberfläche gemessen werden. Nun wird die fehlerbehaftete Probe durch das überlagerte thermische Wellenfeld abgetastet undWird der Grad der Temperaturdehnung in Bezug auf die Probenposition gemessen. Aufgrund der Symmetrie wird die destruktive Interferenzbedingung noch einmal erfüllt, wenn der Defekt die Symmetrieebene kreuzt; Damit können wir den Defekt sehr empfindlich finden. Da außerdem der Grad der maximalen Störung der zerstörenden Interferenz mit der Tiefe des Defekts korreliert, ist es möglich, seine Tiefe durch Analysieren der Temperaturabtastung ^{1 zu} bestimmen.

Der LPPT kann der aktiven Thermografie-Methodik zugeordnet werden, einer gut etablierten, zerstörungsfreien Methode, bei der eine transiente Erwärmung aktiv erzeugt wird und die daraus resultierende, auch transiente Temperaturverteilung über eine thermische IR-Kamera gemessen wird. Im Allgemeinen ist die Empfindlichkeit dieser Methodik auf Defekte beschränkt, die im Wesentlichen senkrecht zum transienten Wärmestrom orientiert sind. Da die regulierende transiente Wärmeleitungsgleichung ein parabolischer partieller Unterschied istGleichung ist der Wärmestrom in das Volumen stark gedämpft. Infolgedessen ist die Sondierungstiefe der aktiven Thermographie-Methodik auf einen nahezu oberflächennahen Bereich beschränkt, üblicherweise im Millimeterbereich. Zwei der häufigsten aktiven Thermografietechniken sind gepulste und Lock-in-Thermografie. Sie sind aufgrund der planaren optischen Flächenbeleuchtung ² schnell, führen aber zu einem transienten Wärmestrom senkrecht zur Oberfläche. Daher ist die Empfindlichkeit dieser Techniken auf Defekte begrenzt, die überwiegend parallel ausgerichtet sind ( z. B. Delaminierungen oder Hohlräume) auf die beheizte Probenoberfläche. Eine empirische Regel für gepulste Thermographie besagt, dass "der Radius des kleinsten detektierbaren Defektes mindestens ein bis zwei Mal größer sein sollte als seine Tiefe unter der Oberfläche" ³ . Um die effektive Wechselwirkungsfläche zwischen einem senkrecht orientierten Defekt ( zB Riss) und dem Wärmestrom zu erhöhen, muss die Richtung des Wärmestroms erfolgengeändert. Die lokale Erregung erzeugt beispielsweise unter Verwendung eines fokussierten Lasers mit einem linearen oder kreisförmigen Fleck einen Wärmestrom mit einer in der Ebene liegenden Komponente, die in der Lage ist, effektiv mit dem senkrechten Defekt ^{4 , 5 , 6 , 7} in Wechselwirkung zu treten.

In der vorgestellten Methode verwenden wir auch die lateralen Wärmestromkomponenten, um Untergrunddefekte zu detektieren, aber wir verwenden die Tatsache, dass thermische Wellen überlagert werden können, während Defekte, insbesondere vertikal orientierte, diese Überlagerung stören. Auf diese Weise ähnelt das vorgestellte Verfahren einem referenzfreien, symmetrischen und sehr empfindlichen Verfahren, da es möglich ist, künstliche Untergrunddefekte bei einem Breiten- / Tiefenverhältnis von weit unter einem ^{8 , 9} zu detektieren. Bisher war es schwierig, zwei anti-phased thermische Wellenfelder zu schaffen, die genügend Energie liefern. Wir haben das erreichtY-Kopplung eines räumlichen Lichtmodulators (SLM) an einen Hochleistungs-Diodenlaser, der es uns ermöglichte, die hohe optische Leistung des Lasersystems mit der räumlichen und zeitlichen Auflösung des SLM (siehe Abbildung 2 ) in einen Hochleistungsprojektor zu verschmelzen . Die thermischen Wellenfelder werden nun durch photothermische Umwandlung von zwei antiphasigen sinusförmig modulierten Linienmustern über die Pixelhelligkeit des projizierten Bildes erzeugt (siehe Abbildung 2 , Abbildung 1a ). Dies führt zu einer strukturierten Erwärmung der Probenoberfläche und führt zu klar definierten, destruktiv störenden thermischen Wellenfeldern. Um einen Untergrunddefekt zu finden, wird die Störung der destruktiven Schlußfolgerung als Temperaturschwingung an der Oberfläche mit einer IR-Kamera gemessen.

Der Begriff thermische Welle wird kontrovers diskutiert, weil thermische Wellen keine Energie aufgrund des diffusiven Charakters der Wärmeausbreitung transportieren. Dennoch gibt es Wellen-Verhalten, wenn hea Regelmäßig, so dass wir Ähnlichkeiten zwischen realen Wellen und Diffusionsprozessen ^{10 , 11 , 12} verwenden ^können . Somit kann eine thermische Welle als in der Ausbreitungsrichtung stark gedämpft verstanden werden, aber periodisch über die Zeit ( Fig. 1b ). Die charakteristische thermische Diffusionslänge Wird hiermit durch seine Materialeigenschaften (Wärmeleitfähigkeit k , Wärmekapazität c _p und Dichte ρ ) und die Erregerfrequenz ƒ beschrieben. Obwohl die thermische Welle stark abklingt, kann ihre Wellenart angewendet werden, um Einblick in die Eigenschaften der Probe zu erhalten. Die erste Anwendung der thermischen Welleninterferenz wurde verwendet, um die Dicke der Schichten zu bestimmen. Im Gegensatz zu unserer Methode wurde der Interferenzeffekt in der Tiefenabmessung ( dh senkrecht zur Oberfläche) verwendet, Ref "> 13. Ausdehnung der Idee der Interferenz auf eine zweite Dimension durch Aufteilung eines Laserstrahls, wurde eine thermische Wellenstörung verwendet, um Untergrunddefekte zu beschädigen ^14. Dieses Verfahren wurde in der Übertragungskonfiguration angewendet, was bedeutet, dass es durch die Penetration begrenzt wurde Tiefe der thermischen Welle, da nur eine Laserquelle verwendet wird, gilt diese Methode für konstruktive Interferenzen, so dass eine fehlerfreie Referenz benötigt wird. Neben der Idee der Verwendung von thermischen Wellenstörungen ist die erste technische räumliche und räumliche Die zeitlich kontrollierte Erwärmung wurde von Holtmann et al. Mit einem unmodifizierten Flüssigkristall-Display (LCD) -Projektor mit der eingebauten Lichtquelle durchgeführt, die in ihrer optischen Ausgangsleistung stark eingeschränkt war. Weitere Ansätze von Pribe und Ravichandran zielten darauf ab, das optische zu erhöhen Ausgangsleistung durch auch Kopplung eines Lasers an einen SLM ^{16 ,} S = "xref"> 17

Das hier vorgestellte Protokoll beschreibt die Anwendung des LPPT-Verfahrens, um unterirdische Defekte zu lokalisieren, die senkrecht zur Oberfläche von Stahlproben orientiert sind. Die Methode ist in einem frühen Stadium, aber dennoch mächtig genug, um den vorgeschlagenen Ansatz zu validieren; Es ist jedoch immer noch in Bezug auf die erreichbare optische Ausgangsleistung des Versuchsaufbaus begrenzt. Da die Zunahme der optischen Ausgangsleistung eine Herausforderung bleibt, wird das vorgestellte Verfahren auf beschichteten Stahl angewendet, der künstliche elektrisch entladene bearbeitete Kerben enthält. Dennoch halten die wichtigsten und kritischsten Schritte des Protokolls, die eine homogene strukturierte Beleuchtung erzeugen, die Voraussetzungen für eine zerstörende thermische Wellenstörung erfüllen und den Defekt lokalisieren, immer noch für anspruchsvollere Defekte. Da die Regelgröße die thermische Diffusionslänge μ ist, kann das LPPT-Verfahren auch auf zahlreiche verschiedene Materialien angewendet werden.

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Abbildung 1: Prinzip der zerstörenden Interferenzwirkung. ( A ) Schematische Darstellung des bei Experimenten verwendeten Beleuchtungsmusters Die Probe wird räumlich und zeitlich durch zwei periodisch beleuchtete Muster mit einer Phasenverschiebung von π erwärmt. Die gestrichelte Linie stellt die Symmetrielinie zwischen beiden Mustern dar. Diese Zeile wird zur Auswertung als "Verarmungslinie" verwendet. ( B ) Schema des räumlich und zeitlich aufgelösten thermischen Wärmeergebnisses, berechnet aus der analytischen Lösung der thermischen Wärmeleitungsgleichung. Es zeigt die ansprechenden thermischen Wellen zur Beleuchtung von (a) mit einer Bestrahlung der beiden Muster mit P _{opt 1} = 1,5 W sin (2π 0,125 Hz t ) + 1,5 W und P _{opt 2} = 1,5 W sin (2π 0,125 Hz t + Π) + 1,5 W für Baustahl ρ </Em> = 7,850 kg / m ³ , c _p = 461 J / (kg · K), k = 54 W / (m · K). Das Temperaturprofil an der gestrichelten Linie zeigt keine thermische Oszillation für homogenes, isotropes Material. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 2: Schematische Darstellung des Messprinzips der strukturierten Erwärmung in der aktiven Thermographie. Ein Gauß-Strahl, der zu einem Hutprofil homogenisiert ist, wird auf einen räumlichen Lichtmodulator (SLM) angewendet. Der SLM löst den Strahl räumlich durch seine schaltbaren Elemente und zeitlich durch seine Schaltgeschwindigkeit. Jedes Element repräsentiert ein SLM-Pixel. In diesem Experiment ist das SLM ein digitales Mikrospiegelgerät (DMD). Durch die Modulation der Pixelhelligkeit A mit einer zeitdeterministischen Steuerungssoftware, der ProbenoberflächeWird strukturiert beheizt. Im Falle des dargestellten Experiments modulieren wir zwei anti-phasenförmige Linien (Phasen: φ = 0, π), die den Ursprung kohärent störender thermischer Wellenfelder bei der Winkelfrequenz ω sind. Die Wellenfelder wechselwirken mit der inneren Struktur der Probe, die auch das Temperaturfeld an der Oberfläche beeinflusst. Dies wird über seine Wärmestrahlung durch eine Mittelwellen-Infrarotkamera gemessen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Protocol

HINWEIS: Achtung: Bitte beachten Sie die Lasersicherheit, da das Setup einen Laser der Klasse 4 verwendet. Bitte tragen Sie die richtige Schutzbrille und Kleidung. Auch den Pilotlaser sorgfältig behandeln. 1. Paar der Diodenlaser zum Projektor Development Kit (PDK) Das Brot vorbereiten Montieren Sie alle Geräte wie in Abbildung 3 gezeigt auf das Steckbrett. Legen Sie das Steckbrett mit allen vormontierten Geräten in ein Laserlabor. <str…

Representative Results

Nach dem Protokoll wurde die Seite 1 der Stahlprobe mit einem Untergrunddefekt in einer Tiefe von 0,25 mm gewählt, um repräsentative Ergebnisse zu erzeugen. Der Defekt wurde zunächst etwa in der Mitte des beleuchteten Bereichs positioniert. Die Probe wurde dann von -5 mm auf 5 mm über die lineare Stufe mit einer Geschwindigkeit von 0,05 mm / s bewegt. Unter Verwendung dieser Parameter zeigt Abbildung 11a die Scan-Daten nach dem Extrahieren aus der Verarmungslinie. In…

Discussion

Das vorgestellte Protokoll beschreibt, wie man künstliche Untergrunddefekte senkrecht zur Oberfläche lokalisiert. Der Grundgedanke der Methode besteht darin, interferierende thermische Wellenfelder zu erzeugen, die mit dem Untergrunddefekt in Wechselwirkung treten. Die wichtigsten Schritte sind (i) die Kombination eines SLM mit einem Diodenlaser, um zwei alternierende Hochleistungsbeleuchtungsmuster an der Probenoberfläche zu erzeugen; Diese Muster werden photothermisch in kohärente thermische Wellenfelder umgewande…

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