Subsurface Defekt lokalisering ved strukturert oppvarming ved hjelp av laserprojisert fototermisk termografi

Summary

Denne metoden tar sikte på å lokalisere vertikale undergrunnsdefekter. Her kobler vi en laser med en romlig lysmodulator og utløser dens videoinngang for å oppvarme en prøveoverflate deterministisk med to antifase modulerte linjer samtidig som man får høyt oppløste termiske bilder. Feilposisjonen hentes fra evaluering av termisk bølgeinterferensminima.

Abstract

Den presenterte metoden brukes til å lokalisere undergrunnsdefekter orientert vinkelrett på overflaten. For å oppnå dette skaper vi destruktivt forstyrrende termiske bølgebelter som er forstyrret av defekten. Denne effekten måles og brukes til å lokalisere feilen. Vi danner de ødeleggende forstyrrende bølgefeltene ved å bruke en modifisert projektor. Den originale lyskilden til projektoren er erstattet med en fiberkoblet høy-effektdiodelaser. Strålen er formet og justert til projektorens romlig lysmodulator og optimalisert for optimal optisk gjennomstrømning og homogen projeksjon ved først å tegne stråleprofilen, og for det andre korrigere den mekanisk og numerisk. Et høyytelses infrarødt (IR) kamera settes opp i henhold til den stramme geometriske situasjonen (inkludert korreksjoner av geometriske bildeforvrengninger) og kravet om å oppdage svake temperaturoscillasjoner på prøveoverflaten. Datainnsamling kan utføres en gang til en synkroniseringRonisering mellom de enkelte termiske bølgefeltkildene, skannefasen og IR-kameraet er etablert ved å bruke et dedikert eksperimentelt oppsett som må tilpasses det konkrete materialet som undersøkes. Under data etterbehandling blir den relevante informasjonen om tilstedeværelsen av en defekt under overflaten av prøven ekstrahert. Den hentes fra den oscillerende del av den oppkjøpte termiske strålingen som kommer fra den såkalte uttømningslinjen på prøveoverflaten. Den nøyaktige plasseringen av defekten er utledet fra analysen av den romlige temporale formen til disse svingninger i et siste trinn. Metoden er referansefri og svært følsom for endringer innen termisk bølgefelt. Så langt har metoden blitt testet med stålprøver, men gjelder også for forskjellige materialer, særlig temperaturfølsomme materialer.

Introduction

Den laserprojiserte fototermiske termografiprofilen (LPPT) brukes til å lokalisere undergrunnsdefekter som er innebygd i prøvenes volum og orientert overveiende vinkelrett på overflaten.

Metoden bruker destruktive interferens av to anti-fasede termiske bølgefelt med samme forlengelse og frekvens som vist i figur 1b . I isotrope defektfrie materialer nøytraliserer termisk bølger destruktivt ( dvs. null temperatur oscillasjon) ved symmetriplanet ved koherent superposisjon. I tilfelle et materiale med en undergrunnsdefekt, benytter metoden samspillet mellom de laterale komponentene ( dvs. i flyet) mellom forbigående varmestrøm og denne feilen. Denne interaksjonen kan måles i en gjentatt oscillerende temperaturforlengelse ved symmetrilinjen på prøveoverflaten. Nå blir den defekte prøven skannet av det overliggende termiske bølgefeltet ogNivået av temperaturforlengelse måles i forhold til prøveposisjonen. På grunn av symmetri er den destruktive interferenstilstanden fornøyd igjen når defekten krysser symmetriplanet; Dette gjør at vi kan finne defekten svært sensitivt. Siden nivået av maksimal forstyrrelse av destruktive interferens korrelerer med dybden av defekten, er det dessuten mulig å bestemme dens dybde ved å analysere temperaturskanningen ¹ .

LPPT kan tilordnes den aktive termografiske metoden, en veletablert ikke-destruktiv metode, hvor forbigående oppvarming genereres aktivt, og den resulterende, forbigående temperaturfordeling måles via et termisk IR-kamera. Generelt er følsomheten til denne metoden begrenset til feil som er orientert hovedsakelig vinkelrett på den forbigående varmestrømmen. Videre, siden den styrende forbigående varmeledningsekvasjon er en parabolisk partiell differeNtial likning, er varmestrømmen i volumet sterkt dempet. Som en konsekvens er undersøkelsesdybden for den aktive termografiske metodikk begrenset til et nær overflateområde, vanligvis i millimeterområdet. To av de vanligste aktive termografiteknikkene er pulserende og låsingstermografi. De er raske på grunn av plan optisk overflatebelysning ² , men fører til en forbigående varmestrøm vinkelrett på overflaten. Derfor er følsomheten til disse teknikkene begrenset til mangler som hovedsakelig er orienterte parallelle ( f.eks. Delamineringer eller hulrom) til den oppvarmede prøveoverflate. En empirisk regel for pulserende termografi sier at "radiusen for den minste detekterbare feilen skal være minst en til to ganger større enn dens dybde under overflaten" ³ . For å øke det effektive samspillingsområdet mellom en vinkelrett orientert defekt ( f.eks. En sprekk) og varmestrømmen, må retningen av varmestrømmen væreendret. Lokal eksitasjon, ved å bruke en fokusert laser med et lineært eller sirkulært sted, for eksempel, genererer en varmestrøm med en in-plan-komponent som er i stand til å effektivt samvirke med den vinkelrette defekten ^{4 , 5 , 6 , 7} .

I den presenterte metoden bruker vi også komponentene for lateral varmestrømning for å oppdage undergrunnsdefekter, men vi bruker det faktum at termiske bølger kan legges over, mens feil, spesielt vertikalt orienterte, forstyrrer denne superposisjonen. På denne måten ligner den presenterte metoden en referansefri, symmetrisk og meget sensitiv metode, da det er mulig å oppdage kunstige undergrunnsdefekter ved bredde / dybdeforhold langt under en ^{8 , 9} . Inntil nå var det vanskelig å opprette to anti-fasede termiske bølgefelt som tilveiebringer tilstrekkelig energi. Vi oppnådde dette bY kobler en romlig lysmodulator (SLM) til en høykvalitetsdiodelaser, som gjorde det mulig for oss å slå sammen den høye optiske effekten til lasersystemet med den romlige og tidsmessige oppløsningen til SLM (se figur 2 ) i en høyspenningsprojektor . De termiske bølgefeltene er nå opprettet ved fototermisk konvertering av to antifasede sinusformet modulerte linjemønstre via piksellysstyrken til det projiserte bildet (se figur 2 , figur 1a ). Dette fører til strukturert oppvarming av prøveoverflaten og resulterer i veldefinerte destruktivt forstyrrende termiske bølgefelt. For å finne en undergrunnsdefekt måles forstyrrelsen av destruktive inngrep som en temperaturoscillering ved overflaten ved hjelp av et IR-kamera.

Begrepet termisk bølge, diskuteres kontroversielt fordi termiske bølger ikke transporterer energi på grunn av den diffusive karakteren av varmeutbredelsen. Likevel er det bølge-lignende atferd når hea Ting periodisk, slik at vi kan bruke likheter mellom virkelige bølger og diffusjonsprosesser ^{10 , 11 , 12} . Således kan en termisk bølge forstås som svært dempet i forplantningsretningen, men periodisk over tid ( figur 1b ). Den karakteristiske termiske diffusjonslengden Beskrives herved av dets materielle egenskaper (termisk ledningsevne k , varmekapasitet c _p og tetthet p ) og eksitasjonsfrekvensen ƒ. Selv om den termiske bølgen faller sterkt, kan dens bølge natur brukes for å få innblikk i egenskapene til prøven. Den første applikasjonen av termisk bølgeinterferens ble brukt for å bestemme lagets tykkelse. I motsetning til metoden ble interferenseffekten brukt i dybdimensjonen ( dvs. vinkelrett på overflaten) Ref "> 13. Utvidelsen av ideen om interferens med en andre dimensjon ved å dele opp en laserstråle, var termisk bølgeinterferens brukt til å dimensjonere undergrunnsdefekter ^14. Likevel ble denne metoden anvendt i overføringskonfigurasjon, hvilket betyr at den var begrenset av penetrasjonen Dybden av termisk bølge. Dessuten, fordi bare en laser kilde er brukt, gjelder denne metoden konstruktiv interferens, noe som betyr at det mangler en defektfri referanse. Bortsett fra ideen om å bruke termisk bølgeinnblanding, er den første tekniske tilnærmingen til romlig og Temporalt kontrollert oppvarming ble utført av Holtmann et al. Ved å bruke en umodifisert LCD-projektor med den innebygde lyskilden, som var sterkt begrenset i sin optiske utgangseffekt 15. Ytterligere tilnærminger av Pribe og Ravichandran, som har til formål å øke optisk Utgangseffekt ved å også kopiere en laser til en SLM ^{16 ,} S = "xref"> 17.

Protokollen som presenteres her beskriver hvordan man bruker LPPT-metoden for å finne undergrunnsdefekter orientert vinkelrett på overflaten av stålprøver. Metoden er på et tidlig stadium, men likevel kraftig nok til å validere den foreslåtte tilnærmingen; Det er imidlertid fortsatt begrenset i form av den oppnådde optiske utgangseffekten av forsøksoppsettet. Siden økningen av den optiske utgangseffekten forblir en utfordring, blir den fremstilte metode påført på belagt stål som inneholder kunstige elektrisk utladningsbearbeidede hakk. Ikke desto mindre holder de viktigste og mest kritiske trinnene i protokollen, som genererer en homogen strukturert belysning, møteforutsetninger for destruktiv termisk bølgeinnblanding, og lokalisering av defekten, fortsatt å holde for mer krevende feil også. Siden den styrende mengden er termisk diffusjonslengde μ, kan LPPT-metoden også påføres mange forskjellige materialer.

nt ">
Figur 1: Prinsipp for destruktiv interferenseffekt. ( A ) Skjematisk av belysningsmønsteret som ble brukt under forsøkene. Prøven blir romlig og midlertidig oppvarmet av to periodisk opplyste mønstre med faseforskyvning av π. Den strekkede linjen representerer symmetrilinjen mellom begge mønstrene. Denne linjen vil bli brukt til evaluering som en "uttømmingslinje". ( B ) Diagram over det romlig og tidsmessig løst alternerende termisk resultat som beregnet fra den analytiske løsningen av termisk varmeledningsekvasjon. Den viser de reagerende termiske bølgene til belysningen av (a) med en bestråling av de to mønstrene med P _{opt 1} = 1,5 W sin (2π 0.125 Hz t ) + 1,5 W og P _{opt 2} = 1,5 W sin (2π 0.125 Hz t + Π) + 1,5 W for konstruksjonsstål ρ </Em> = 7,850 kg / m ³ , c _p = 461 J / (kg · K), k = 54 W / (m · K). Temperaturprofilen på punktlinjen viser ingen termisk oscillasjon for homogent, isotropt materiale. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 2: Skjematisk av måleprinsippet for strukturert oppvarming som brukes i aktiv termografi. En Gaussisk stråle som er homogenisert til en topphattprofil, blir brukt på en romlig lysmodulator (SLM). SLM løser strålen romlig ved hjelp av bryterelementene og temporært ved byttehastighet. Hvert element representerer en SLM-piksel. I dette eksperimentet er SLM en digital mikrospeil-enhet (DMD). Ved å modulere piksellysstyrken A med en tidsdeterministisk kontrollprogramvare, prøveoverflatenOppvarmes på en strukturert måte. I tilfelle det presenterte eksperimentet modulerer vi to anti-fasede linjer (faser: φ = 0, π), som er opprinnelsen til koherent forstyrrende termiske bølgefelt ved vinkelfrekvensen ω. Bølgefeltene samhandler med prøvenes indre struktur og påvirker også temperaturfeltet på overflaten. Dette måles via sin termiske stråling med et midtbølget infrarødt kamera. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Protocol

MERK: Forsiktig: Vær oppmerksom på lasersikkerhet fordi oppsettet bruker en klasse 4-laser. Vennligst bruk riktig beskyttelsesbriller og klær. Behandle også pilotlaseren med forsiktighet. 1. Koble diode laseren til projektorutviklingssettet (PDK) Forbered brødbrettet. Monter sammen alle enhetene på brødbrettet, som vist på figur 3 . Plasser brødbrettet med alle forhåndsinnstilte enheter i et laserlaboratorium. Plasser las…

Representative Results

Etter protokollen ble side 1 av stålprøven med en undergrunnsdefekt i en dybde på 0,25 mm valgt for å generere representative resultater. Defekten ble opprinnelig plassert omtrent i midten av det opplyste området. Prøven ble deretter flyttet fra -5 mm til 5 mm via det lineære trinn med en hastighet på 0,05 mm / s. Ved å bruke disse parametrene viser figur 11a skanningsdataene etter at de har blitt ekstrahert fra uttømningslinjen. På dette stadiet kan eksperime…

Discussion

Den presenterte protokollen beskriver hvordan man finner kunstige undergrunnsdefekter orientert vinkelrett på overflaten. Hovedidéen til metoden er å skape forstyrrende termiske bølgefelt som interagerer med undergrunnsdefekten. De viktigste trinnene er (i) å kombinere en SLM med en diodelaser for å skape to alternerende høyeffektbelysningsmønstre på prøveoverflaten; Disse mønstrene blir fototermisk omdannet til koherente termiske bølgebelter, (ii) å la dem ødelegge seg interferert med en undergrunnsdefekt…

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