レーザー光熱サーモグラフィーを用いた構造化加熱による地中欠陥局在

Summary

この方法は、垂直方向の地下欠陥を見つけることを目的としている。ここでは、レーザーを空間光変調器と結合し、高解像度の熱画像を取得しながら、2つの逆位相変調線で決定的にサンプル表面を加熱するためにビデオ入力をトリガーします。欠陥位置は、熱波干渉極小値の評価から検索される。

Abstract

提示された方法は、表面に対して垂直に配向された表面下の欠陥を見つけるために使用される。これを達成するために、我々は欠陥によって妨害される破壊的に干渉する熱波場を作り出す。この影響を測定し、欠陥の位置を特定するために使用する。我々は、修正されたプロジェクタを使用して、破壊的干渉波フィールドを形成する。プロジェクタの元の光エンジンは、ファイバ結合された高出力ダイオードレーザに置き換えられています。そのビームは、プロジェクタの空間光変調器に合わせて整形され、最初にビームプロファイルを特徴づけることによって、最適な光学スループットと均一投影に最適化され、機械的および数値的に修正されます。厳密な幾何学的状況（幾何学的画像歪みの補正を含む）および試料表面での弱い温度振動を検出するための要件に従って、高性能赤外線（IR）カメラが設定される。データ収集は一度同期することができます個々の熱波場源、走査ステージ、およびIRカメラの間のローレンスは、調査される特定の材料に調整される必要がある専用の実験装置を使用することによって確立される。データ後処理の間に、サンプルの表面の下の欠陥の存在に関する関連情報が抽出される。それは、試料表面のいわゆる空乏線からの取得された熱放射の振動部分から取り出される。欠陥の正確な位置は、最終ステップにおけるこれらの振動の空間 – 時間的形状の分析から推論される。この方法は、リファレンスフリーであり、熱波場内の変化に対して非常に敏感である。これまでのところ、この方法は鋼サンプルで試験されているが、異なる材料、特に温度に敏感な材料にも適用可能である。

Introduction

レーザー投影光熱サーモグラフィー（LPPT）法は、試験片の体積に埋め込まれ、その表面に対して主に垂直に配向された表面下の欠陥を突き止めるために使用される。

この方法は、 図1bに示すような同じ伸びと周波数の2つの逆位相熱波場の破壊的干渉を使用する。等方性の無欠陥材料では、熱波は、コヒーレントな重ね合わせによって対称面で破壊的に（ すなわち、ゼロ温度振動）中和する。表面下欠陥を有する材料の場合、この方法は、一時的な熱流とこの欠陥との間の横方向（ すなわち 、面内）成分の相互作用を利用する。この相互作用は、サンプル表面上の対称線における再現された振動温度の伸びで測定することができる。ここで、欠陥含有試料は、重畳された熱波場によって走査され、サンプルの位置に関連して温度の伸びのレベルが測定される。対称性のために、欠陥が対称面を横切ると、破壊的干渉条件が再び満たされる。これにより、欠陥を非常に敏感に見つけることができます。さらに、破壊的干渉の最大外乱のレベルは欠陥の深さと相関するので、温度走査¹を解析することによってその深さを決定することが可能である。

LPPTは能動的なサーモグラフィー方法論に割り当てられます。これは、過渡的な加熱が活発に行われ、結果的に過渡的な温度分布がサーマルIRカメラによって測定される、十分に確立された非破壊的な方法です。一般に、この方法論の感度は、過渡熱流に対して本質的に垂直に配向する欠陥に限定される。さらに、支配的な過渡熱伝導方程式は放物線部分差分体積式への熱の流れは強く減衰する。結果として、能動サーモグラフィー法のプロービング深さは、通常はミリメートル範囲の表面近傍領域に限定される。最も一般的なアクティブサーモグラフィー技術の2つは、パルス式およびロックインサーモグラフィーです。それらは、平面光学面照明²により高速であるが、表面に垂直な一時的な熱流をもたらす。したがって、これらの技術の感度は、加熱された試料表面に対して主に平行に配向された欠陥（ 例えば層間剥離または空隙）に限定される。パルスサーモグラフィの経験則では、「検出可能な最小欠陥の半径は、表面下の深さの少なくとも1〜2倍にすべきである」 ^3と述べている³ 。垂直に配向した欠陥（ 例えば亀裂）と熱流との間の有効相互作用領域を増加させるために、熱流の方向はかわった。局所的な励起は、例えば線状または円形のスポットを有する集束レーザを使用することにより、垂直欠陥4,5,6,7と効果的に相互作用することができる面内成分を有する熱流を生成する。

この方法では、横方向の熱流成分を用いて表面下の欠陥を検出するが、熱波を重ねることができるが、欠陥、特に垂直方向の欠陥はこの重なりを妨げる。このように、提示された方法は、1 / ^8,9以下の幅/深さ比で人工地下欠陥を検出することが可能であるため、基準のない対称で非常に敏感な方法に似ている。今まで、十分なエネルギーを供給している2つの逆位相熱波場を作り出すことは困難でした。我々はこれを達成した空間光変調器（SLM）を高出力ダイオードレーザに結合することにより、レーザシステムの高い光学パワーをSLMの空間的および時間的解像度（ 図2参照）と高出力プロジェクタ。熱波場は、投影された画像のピクセル輝度を介して、2つの逆位相正弦波変調された線パターンの光熱変換によって生成される（ 図2 、 図1a参照）。これは、試料表面の構造化された加熱をもたらし、明確に破壊的に干渉する熱波場をもたらす。表面下の欠陥を見つけるために、破壊的な推論の外乱は、IRカメラを用いて表面の温度振動として測定される。

熱波という用語は、熱伝播の拡散特性のために熱波がエネルギーを輸送しないため、議論の余地がある。それでも、hea実際の波と拡散過程10,11,12との間で類似点を使用することを可能にする。したがって、熱波は伝搬方向に高度に減衰されているものと理解できますが、時間とともに周期的に変化します（ 図1b ）。特徴的な熱拡散長 （熱伝導率k 、熱容量c _p 、密度ρ ）と励振周波数fで説明する。熱波は強く減衰していますが、波の性質を応用してサンプルの特性を把握することができます。熱波干渉の第1の適用を用いて層の厚さを決定した。我々の方法とは対照的に、干渉効果は、深さ寸法（ すなわち 、表面に垂直）で使用され、レーザビームを分割することによって干渉の概念を第2の次元に拡張すると、表面欠陥^14のサイズを決めるのに熱波干渉が用いられた。この方法は透過構造にも適用された。さらに、1つのレーザ源のみが使用されているため、この方法は建設的な干渉が適用されるため、無欠陥の基準が必要となります。光出力パワーが著しく制限された光源を内蔵した無修正液晶ディスプレイ（LCD）プロジェクタを使用して、Holtmann らによって時間的に制御された加熱が行われた.PribeとRavichandranによるさらなるアプローチは、レーザをSLM16にも結合することによって^、 s = "xref"> 17。

本明細書に提示されるプロトコルは、鋼サンプルの表面に対して垂直に配向された表面下欠陥を見つけるためにLPPT法を適用する方法を説明する。この方法は初期段階にありますが、提案されたアプローチを検証するのに十分強力です。しかし、それは実験セットアップの達成可能な光出力の点で依然として制限されている。光出力の増加は依然として課題であるので、提示された方法は、人工放電加工ノッチを含む被覆鋼に適用される。それにもかかわらず、プロトコルの最も重要で最も重要なステップは、均質な構造照明を生成し、破壊的な熱波干渉の前提条件を満たすこと、および欠陥を見つけることは、依然としてより要求の厳しい欠陥を保持することである。支配的な量は熱拡散長μであるので、LPPT法は多数の異なる材料にも適用することができる。

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図1：破壊的干渉効果の原理 （ a ）実験中に使用された照明パターンの概略図。サンプルは、πの位相シフトを有する2つの周期的に照射されたパターンによって空間的および時間的に加熱される。破線は、両方のパターン間の対称線を表す。このラインは、評価用に「空乏線」として使用されます。 （ b ）熱的熱伝導方程式の解析解から計算された、空間的および時間的に分解された交互熱結果の図。これは、（a）の照明に対して、 P _{opt 1} = 1.5Wsin（2π0.125Hz t ）+ 1.5WとP _{opt 2} = 1.5Wsin（2π0.125Hz t ）の2つのパターンの放射照度に対する応答熱波を示す+π）+建築用鋼ρの 1.5W </k _p = 461 J /（kg・K）、 k = 54W /（m・K）である。破線の温度プロファイルは、均質で等方性の材料の熱振動を示していない。 この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。

図2：アクティブサーモグラフィーで使用される構造化加熱の測定原理の略図。トップハットプロファイルにホモジナイズされたガウスビームは、空間光変調器（Spatial Light Modulator：SLM）に適用される。 SLMは、その切り替え可能要素によって空間的にかつ時間的にそのスイッチング速度によってビームを空間的に分解する。各要素はSLMピクセルを表します。この実験では、SLMはデジタルマイクロミラーデバイス（DMD）である。時間決定論的制御ソフトウェアを用いてピクセル輝度Aを変調することによって、サンプル表面構造化された方法で加熱される。提示された実験の場合、角周波数ωでコヒーレントに干渉する熱波場の起源である2つの逆位相線（位相：φ= 0、π）を変調する。波面は試料の内部構造と相互作用し、表面の温度場にも影響を与えます。これは、中波赤外線カメラによる熱放射によって測定されます。 この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。

Protocol

注：注意：クラス4レーザーを使用するため、レーザーの安全に注意してください。正しい保護眼鏡と服を着用してください。また、パイロットレーザーは注意して取り扱ってください。 1.ダイオードレーザとプロジェクタ開発キット（PDK）のカップリング ブレッドボードを準備する。 図3に示すように、すべてのデバイスをブレッドボードに事?…

Representative Results

プロトコルに従って、0.25mmの深さに表面下欠陥を有する鋼サンプルの側面1を選択して、代表的な結果を生成した。欠陥は当初、照明された領域のほぼ中央に位置していた。次いで、サンプルを0.05mm / sの速度でリニアステージを介して-5mmから5mmに移動させた。これらのパラメータを使用して、 図11aは、空白線からそれらを抽出した後のスキャンデータを?…

Discussion

提示された議定書は、表面に垂直に配向された人工表面下欠陥の発見方法を説明している。この方法の主な考え方は、地下欠陥と相互作用する干渉熱波場を作り出すことである。最も重要なステップは、（i）サンプル表面に2つの交互の高出力照明パターンを生成するために、SLMとダイオードレーザとを組み合わせること、これらのパターンは光熱的にコヒーレントな熱波場に変換され、（ii…

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