לוקליזציה פגם תת קרקעי על ידי חימום מובנה באמצעות לייזר מוקרן Photothermal Thermography

Summary

שיטה זו שואפת לאתר פגמים אנכיים תת קרקעיים. כאן, אנו זוג לייזר עם אפנן אור מרחבי ולהפעיל קלט הווידאו שלה לחמם משטח מדגם דטרמיניסטית עם שני קווי אנטי אפקט מודולציה בעת רכישת תמונות תרמית נפתרה מאוד. העמדה פגם הוא נלקח מן הערכת גל הפרעה מינימלית גל.

Abstract

השיטה המוצגת משמש לאיתור פגמים מתחת לפני השטח, באופן אופייני אל פני השטח. כדי להשיג זאת, אנו יוצרים הרסנית להפריע שדות גל תרמי מופרעים על ידי פגם. השפעה זו נמדדת ומשמשת לאיתור הפגם. אנו יוצרים את שדות הגל המפריעים באופן הרסני באמצעות מקרן שונה. מנוע האור המקורי של המקרן מוחלף בלייזר דיודה בעל הספק גבוה עם סיבים. הקורה שלה מעוצבת ומתאימה למודול האור המרחבי של המקרן וממוטבת לתפוקה אופטימלית אופטימלית ולהקרנה הומוגנית, על ידי אפיון פרופיל הקורה, ושנית, תיקון זה באופן מכני ומספרי. מצלמת אינפרא אדום (IR) בעלת ביצועים גבוהים מוגדרת על פי המצב הגיאומטרי הצר (כולל תיקונים בעיוותים הגיאומטריים) והדרישה לאתר תנודות טמפרטורה חלשות על פני השטח המדגם. רכישת נתונים ניתן לבצע פעם סינכרוןRonization בין הפרט שדה גל תרמי מקורות, את הבמה סריקה, ואת מצלמת אינפרא אדום הוא הוקם באמצעות הגדרת הניסוי ייעודי אשר צריך להיות מכוונן את החומר הספציפי הנחקר. במהלך עיבוד הנתונים, המידע הרלוונטי על נוכחותו של פגם מתחת לפני השטח של המדגם מופק. הוא נלקח מהחלק המתנודד של הקרינה התרמית הנרכשת שמקורה מה שנקרא קו דלדול של משטח המדגם. המיקום המדויק של הפגם הוא להסיק מניתוח של הצורה המרחבית-טמפורלית של תנודות אלה בשלב הסופי. השיטה היא ללא התייחסות רגיש מאוד לשינויים בתוך שדה גל תרמי. עד כה, השיטה נבדקה עם דגימות פלדה אבל הוא ישים לחומרים שונים, כמו גם, בפרט לחומרים רגישים לטמפרטורה.

Introduction

הלייזר המוקרן לייזר תרמוגרפיה (LPPT) השיטה משמשת כדי לאתר פגמים מתחת לפני השטח, כי הם מוטבע בנפח של הדגימה הבדיקה מכוונת בעיקר בניצב על פני השטח שלה.

השיטה משתמשת בהפרעה הרסנית של שני שדות גל אנטי-שלבי תרמי של אותו התארכות ותדירות כפי שמוצג באיור 1b . בחומרים איזוטרופיים נטולי פגם, הגלים התרמיים מנטרלים באופן הרסני ( כלומר אפס תנודה) במישור הסימטריה על ידי סופרפוזיציה קוהרנטית. במקרה של חומר עם פגמים מתחת לפני השטח, השיטה מנצלת את האינטראקציה של המרכיבים לרוחב ( כלומר, בתוך המטוס) בין זרימת החום הארעית לבין פגם זה. אינטראקציה זו יכולה להימדד על התארכות הטמפרטורה נדנדה מחדש מחדש על קו הסימטריה על פני השטח המדגם. עכשיו, מדגם המכיל מדגם נסרק על ידי שדה גל תרמי superposed ורמת התארכות הטמפרטורה נמדדת ביחס למיקום המדגם. בשל סימטריה, מצב ההפרעה ההרסנית מתבצע שוב כאשר הפגם חוצה את המטוס הסימטרי; זה מאפשר לנו לאתר את הפגם מאוד רגיש. יתר על כן, מאז רמת הפרעה מקסימלית של הפרעה הרסנית בקורלציה עם עומק הפגם, ניתן לקבוע את עומקה על ידי ניתוח סריקה טמפרטורה ¹ .

את LPPT ניתן להקצות את המתודולוגיה תרמוגרפיה פעיל, מבוססת היטב שאינו הרסני שיטה, שבו חימום חולף נוצר באופן פעיל וכתוצאה מכך, גם חולף, חלוקת הטמפרטורה נמדדת באמצעות מצלמה תרמית אינפרא אדום. באופן כללי, הרגישות של מתודולוגיה זו מוגבלת לליקויים אשר מכוונים בעיקר בניצב לזרימת החום הארעית. יתר על כן, מאז המשולב חולף חולף חום הולכה הוא differe חלקית פרבוליותמשוואה ntial, את זרימת החום לתוך נפח הוא חזק damped. כתוצאה מכך, עומק בדיקה של מתודולוגיה תרמוגרפיה פעיל מוגבל לאזור קרוב לפני השטח, בדרך כלל בטווח מילימטר. שתי הטכניקות הנפוצות ביותר של תרמוגרפיה פעילה הן פענוח ו – lock-in thermography. הם מהירים בשל תאורה משטחית אופטית ² , אבל להוביל זרימת חום חולפת בניצב אל פני השטח. לכן, הרגישות של טכניקות אלה מוגבל ליקויים מקביל בכיוון מכוונת ( למשל delaminations או חללים) אל משטח המדגם מחומם. כלל אמפירי עבור תרמוגרפיה פעמונית קובע כי "רדיוס הפגם הקטן ביותר הניתן לזיהוי צריך להיות לפחות פי שניים עד לעומק שלו מתחת לפני השטח" ³ . כדי להגדיל את אזור האינטראקציה יעיל בין פגם בכיוון מכוונן ( למשל סדק) ואת זרימת החום, הכיוון של זרימת החום צריך להיותהשתנה. עירור מקומי, באמצעות לייזר ממוקד עם נקודה ליניארית או מעגלית למשל, מייצר זרימת חום עם רכיב בתוך המטוס כי הוא מסוגל לתקשר באופן יעיל עם פגם ניצב ^{4 , 5 , 6 , 7} .

בשיטה המוצגת, אנו משתמשים גם ברכיבי זרימת החום לרוחב כדי לאתר פגמים מתחת לפני השטח, אך אנו משתמשים בעובדה שניתן לגשר על גלי תרמה, בעוד שהליקויים, במיוחד אלו המכוונים אנכית, מפריעים לסופרפוזיציה זו. בדרך זו, השיטה המוצגת דומה לשיטה ללא התייחסות, סימטרי ורגיש מאוד, שכן ניתן לזהות פגמים תת קרקעיים מלאכותיים ביחס רוחב / עומק של הרבה מתחת ^{8 , 9} . עד כה, היה קשה ליצור שני שדות גל תרמי אנטי בשלבים המספקים אנרגיה מספקת. השגנו זאת בY צימוד של אפנון אור מרחבי (SLM) ללייזר דיודה בעל הספק גבוה, אשר איפשר לנו למזג את הכוח האופטי הגבוה של מערכת הלייזר עם רזולוציה מרחבית וזמנית של ה- SLM (ראה איור 2 ) למקרן בעל הספק גבוה . שדות גל תרמי נוצרים כעת על ידי המרה photothermal של שני דפוסי קו מודולציה anti-phase סינוס אופטי דרך בהירות פיקסל של התמונה המוקרנת (ראה איור 2 , איור 1 א ). זה מוביל חימום מובנה של משטח המדגם ותוצאות מוגדרים היטב להפריע שדות גל תרמי. כדי למצוא פגם מתחת לפני השטח, הפרעה של ההסקה הרסנית נמדדת כמו תנודה הטמפרטורה על פני השטח באמצעות מצלמת IR.

המונח גל תרמי, הוא שנוי במחלוקת כי גלים תרמיים לא להעביר אנרגיה בשל אופי מתפזר של התפשטות החום. ובכל זאת, יש התנהגות כמו גלים כאשר hea Ting מעת לעת, ומאפשר לנו להשתמש הדמיון בין גלים אמיתיים תהליכי דיפוזיה ^{10 , 11 , 12} . לפיכך, גל תרמי ניתן להבין כמו מאוד damped בכיוון התפשטות אבל תקופתיים לאורך זמן ( איור 1b ). אורך אופייני תרמי דיפוזיה מתואר בזאת על ידי תכונות החומר שלה (מוליכות תרמית k , קיבולת חום c _p וצפיפות ρ ), ואת תדירות עירור ƒ. למרות הגל התרמי הוא מתפורר מאוד, הטבע גל שלה יכול להיות מיושם כדי לקבל תובנה המאפיינים של המדגם. היישום הראשון של הפרעות גל תרמי שימש כדי לקבוע את עובי השכבות. בניגוד לשיטה שלנו, אפקט ההפרעה שימש בממד עומק ( כלומר בניצב אל פני השטח) Ref. "13. הרחבת הרעיון של הפרעה למימד השני על ידי פיצול קרן לייזר, הפרעה גל תרמי שימש גודל הפגמים מתחת לפני השטח ^14. עדיין שיטה זו יושמה בתצורת השידור, כלומר, זה היה מוגבל על ידי החדירה עומק של גל תרמי.יתר על כן, כי רק מקור לייזר אחד שימש, שיטה זו חלה הפרעה קונסטרוקטיבית, כלומר הפניה ללא התייחסות יש צורך.בנוסף לרעיון של שימוש הפרעות גל תרמי, הגישה הטכנית הראשונה מרחבית ו חימום מבוקר זמני בוצע על ידי הולטמן ואח ' באמצעות מקרן גביש נוזלי ללא שינוי (LCD) עם מקור האור המובנה, אשר היה מוגבל מאוד כוח התפוקה האופטי שלה ^15. גישות נוספות על ידי Pribe ו Ravichandran מכוון להגדיל את אופטי כוח הפלט על ידי גם צימוד לייזר ל SLM ^{16 ,} S = "xref"> 17.

הפרוטוקול המוצג כאן מתאר כיצד ליישם את שיטת LPPT לאתר פגמים מתחת לפני הקרקע מונחה בניצב על פני השטח של דגימות פלדה. השיטה נמצאת בשלב מוקדם, אך חזקה מספיק כדי לאמת את הגישה המוצעת; עם זאת, הוא עדיין מוגבל במונחים של כוח הפלט האופטי השגה של ההתקנה הניסויית. מאז הגידול של כוח הפלט האופטי נשאר אתגר, השיטה המוצגת מוחל על פלדה מצופה המכיל מלאכותית פריקה חשמלית machches חריצים. אף על פי כן, הצעדים החשובים והקריטיים ביותר של הפרוטוקול, יצירת תאורה מובנית הומוגנית, עמידה בתנאים המוקדמים להפרעות גל תרמיות הרסניות ואיתור הפגם, עדיין מקיימים פגמים תובעניים יותר. מאז הכמות השולטת היא μL אורך דיפוזיה תרמית, שיטת LPPT ניתן להחיל על חומרים שונים רבים גם כן.

Nt ">
איור 1: עקרון השפעת ההפרעה ההרסנית. ( א ) סכמטי של דפוס תאורה בשימוש במהלך ניסויים. המדגם הוא מרחבי מחומם זמנית על ידי שני דפוסים מואר מדי פעם עם משמרת פאזה של π. הקו המקווקו מייצג את קו הסימטריה בין שתי הדפוסים. קו זה ישמש להערכה כ"קו דלדול ". ( ב ) דיאגרמה של תוצאה תרמית לסירוגין במרחב ובזמן נפתרה לסירוגין כפי שחושב מן הפתרון האנליטי של משוואת הולכה חום תרמית. זה מראה את הגלים התרמיים להגיב להארה של (א) עם אראדיאנס של שני דפוסים עם P _{Opt 1} = 1.5 W חטא (2π 0.125 Hz t ) + 1.5 ו P _{אופט 2} = 1.5 W חטא (2π 0.125 Hz t + Π) + 1.5 W עבור פלדה קונסטרוקטיבית </Em> = 7,850 kg / m ³ , c _p = 461 J / (kg · K), k = 54 W / (m · K). פרופיל הטמפרטורה בקו המקווקו אינו מציג תנודה תרמית עבור חומר איזוטרופי הומוגני. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2: סכמטי של עקרון המדידה של חימום מובנה המשמש תרמוגרפיה פעיל. קרן גאוס homogenized לפרופיל כובע העליון מוחל על אפנן אור מרחבי (SLM). ה- SLM פותר את הקורה באופן מרחבי על-ידי האלמנטים הניתנים לשינוי, וזמני המעבר שלהם. כל אלמנט מייצג פיקסל SLM. בניסוי זה, ה- SLM הוא מכשיר ראי דיגיטלי (DMD). על ידי מווסת את בהירות פיקסל A עם הזמן תוכנה שליטה דטרמיניסטית, משטח המדגםהוא מחומם בצורה מובנית. במקרה של הניסוי המוצג, אנו מווסתים שני קווים מנוגדים (Phase = 0, π), שהם המקור של הפרעה קוהרנטית של שדות גל תרמי בזווית התדר הזוויתי. שדות הגל אינטראקציה עם המבנה הפנימי של המדגם גם להשפיע על שדה הטמפרטורה על פני השטח. זה נמדד באמצעות קרינה תרמית שלה על ידי מצלמת אינפרא אדום באמצע גל. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

Protocol

הערה: שים לב: שים לב לבטיחות לייזר מכיוון שההתקנה משתמשת בלייזר מסוג 4. יש ללבוש את משקפי המגן והבגדים הנכונים. כמו כן, לטפל לייזר לייזר עם טיפול. 1. זוג לייזר דיודה ערכת פיתוח מקרן (PDK) הכינו …

Representative Results

בעקבות הפרוטוקול, בצד 1 של מדגם פלדה עם פגם מתחת לפני השטח בעומק של 0.25 מ"מ נבחרה לייצר תוצאות נציג. הפגם הוצב בתחילה במרכזו של השטח המואר. המדגם הועבר מ -5 מ"מ ל -5 מ"מ דרך השלב הליניארי במהירות של 0.05 מ"מ לשנייה. באמצעות פרמטרים אלה, איור 11 א</…

Discussion

הפרוטוקול המוצג מתאר כיצד לאתר פגמים מלאכותיים מתחת לפני השטח מונחים בניצב אל פני השטח. הרעיון המרכזי של השיטה הוא ליצור התערבות שדות גל תרמי אשר אינטראקציה עם פגם מתחת לפני השטח. השלבים החשובים ביותר הם: (i) לשלב SLM עם לייזר דיודה על מנת ליצור שתי דפוסי תאורה מתחלפים ב?…

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