Localización del defecto subsuperficial mediante calentamiento estructurado mediante termografía fototérmica proyectada con láser

Summary

Este método tiene como objetivo localizar defectos verticales subsuperficiales. Aquí, unimos un láser con un modulador espacial de luz y activamos su entrada de video para calentar una superficie de muestra de forma determinista con dos líneas moduladas anti-fase mientras adquirimos imágenes térmicas altamente resueltas. La posición de defecto se recupera de la evaluación de los mínimos de interferencia de ondas térmicas.

Abstract

El método presentado se utiliza para localizar defectos subsuperficiales orientados perpendicularmente a la superficie. Para lograr esto, creamos campos de ondas térmicas interferentes destructivamente que son perturbados por el defecto. Este efecto se mide y se utiliza para localizar el defecto. Formamos los campos de ondas interferentes destructivamente utilizando un proyector modificado. El motor ligero original del proyector se sustituye por un láser de diodo de alta potencia acoplado a fibra. Su haz está conformado y alineado con el modulador de luz espacial del proyector y optimizado para un óptimo rendimiento óptico y una proyección homogénea mediante la caracterización inicial del perfil del haz y, en segundo lugar, su corrección mecánica y numérica. Se configura una cámara de infrarrojos (IR) de alto rendimiento según la situación geométrica ajustada (incluyendo las correcciones de las distorsiones geométricas de la imagen) y la necesidad de detectar oscilaciones débiles de la temperatura en la superficie de la muestra. La adquisición de datos puede realizarse una vezRonización entre las fuentes individuales de campo de onda térmica, la etapa de escaneado y la cámara de IR se establece utilizando una configuración experimental dedicada que necesita ser ajustada al material específico que se está investigando. Durante el post-procesamiento de datos, se extrae la información relevante sobre la presencia de un defecto debajo de la superficie de la muestra. Se recupera de la parte oscilante de la radiación térmica adquirida procedente de la denominada línea de agotamiento de la superficie de la muestra. La localización exacta del defecto se deduce del análisis de la forma espacio-temporal de estas oscilaciones en un paso final. El método es libre de referencia y muy sensible a los cambios dentro del campo de ondas térmicas. Hasta ahora, el método se ha probado con muestras de acero, pero también es aplicable a diferentes materiales, en particular a materiales sensibles a la temperatura.

Introduction

El método de termografía fototérmica proyectada por láser (LPPT) se utiliza para localizar defectos subsuperficiales que están incrustados en el volumen de la muestra de ensayo y orientados predominantemente perpendiculares a su superficie.

El método utiliza la interferencia destructiva de dos campos de ondas térmicas anti-fase del mismo alargamiento y frecuencia como se muestra en la Figura 1b . En materiales libres de defectos isotrópicos, las ondas térmicas neutralizan destructivamente ( es decir, oscilación de temperatura cero) en el plano de simetría mediante superposición coherente. En el caso de un material con un defecto subsuperficial, el método aprovecha la interacción de los componentes laterales ( es decir, en el plano) entre el flujo de calor transitorio y este defecto. Esta interacción puede medirse en un alargamiento de temperatura oscilante recreado en la línea de simetría en la superficie de la muestra. Ahora, el defecto que contiene la muestra es escaneado por el campo de onda térmica superpuesta yEl nivel de alargamiento de la temperatura se mide con relación a la posición de la muestra. Debido a la simetría, la condición de interferencia destructiva se satisface una vez más cuando el defecto cruza el plano de simetría; Esto nos permite localizar el defecto con mucha sensibilidad. Además, dado que el nivel de perturbación máxima de la interferencia destructiva se correlaciona con la profundidad del defecto, es posible determinar su profundidad analizando la exploración de temperatura ¹ .

El LPPT puede asignarse a la metodología de termografía activa, un método no destructivo bien establecido, donde el calentamiento transitorio se genera activamente y la distribución de temperatura resultante, también transitoria, se mide a través de una cámara IR térmica. En general, la sensibilidad de esta metodología se limita a defectos que están orientados esencialmente perpendiculares al flujo de calor transitorio. Además, dado que la ecuación transitoria de conducción de calor gobernante es una parabólica parcialEl flujo de calor en el volumen está fuertemente amortiguado. Como consecuencia, la profundidad de sondeo de la metodología de termografía activa está limitada a una región cercana a la superficie, usualmente en el intervalo milimétrico. Dos de las técnicas termográficas activas más comunes son la termografía pulsada y de bloqueo. Son rápidos debido a la iluminación superficial óptica planar ² , pero conducen a un flujo de calor transitorio perpendicular a la superficie. Por lo tanto, la sensibilidad de estas técnicas está limitada a defectos predominantemente orientados en paralelo ( por ejemplo, delaminaciones o huecos) a la superficie de la muestra calentada. Una regla empírica para la termografía pulsada establece que "el radio del defecto detectable más pequeño debe ser al menos uno o dos veces mayor que su profundidad bajo la superficie" ³ . Para aumentar el área de interacción efectiva entre un defecto orientado perpendicularmente ( por ejemplo, una grieta) y el flujo de calor, la dirección del flujo de calor debe serCambiado La excitación local, utilizando un láser enfocado con un punto lineal o circular, por ejemplo, genera un flujo de calor con un componente en el plano que es capaz de interactuar eficazmente con el defecto perpendicular ^{4 , 5 , 6 , 7} .

En el método presentado, también utilizamos los componentes laterales de flujo de calor para detectar defectos subsuperficiales, pero utilizamos el hecho de que las ondas térmicas pueden superponerse, mientras que los defectos, especialmente orientados verticalmente, perturban esta superposición. De esta manera, el método presentado se asemeja a un método libre de referencia, simétrico y muy sensible, ya que es posible detectar defectos artificiales subsuperficiales en una relación anchura / profundidad muy por debajo de un ^{8 , 9} . Hasta ahora, era difícil crear dos campos de ondas térmicas anti-fase proporcionando suficiente energía. Logramos esto bY acoplar un modulador de luz espacial (SLM) a un láser de diodo de alta potencia, que nos permitió fusionar la alta potencia óptica del sistema láser con la resolución espacial y temporal del SLM (ver Figura 2 ) en un proyector de alta potencia . Los campos de ondas térmicas se crean ahora mediante la conversión fototérmica de dos patrones de línea modulados sinusoidalmente anti-fase mediante el brillo de los píxeles de la imagen proyectada (véase la figura 2 , figura 1a ). Esto conduce a un calentamiento estructurado de la superficie de la muestra y da como resultado campos de ondas térmicas interferentes destructivamente bien definidos. Para encontrar un defecto subsuperficial, la perturbación de la inferencia destructiva se mide como una oscilación de temperatura en la superficie usando una cámara IR.

El término ola térmica, se discute controversialmente porque las ondas térmicas no transportan energía debido al carácter difusivo de la propagación del calor. Sin embargo, hay comportamiento ondulatorio cuando hea Permitiéndonos utilizar similitudes entre ondas reales y procesos de difusión ^{10 , 11 , 12} . Por lo tanto, una onda térmica puede ser entendida como altamente amortiguada en la dirección de propagación pero periódica con el tiempo ( Figura 1b ). La longitud de difusión térmica característica Se describe por sus propiedades materiales (conductividad térmica k , capacidad calorífica cp y densidad ρ ), y la frecuencia de excitación ƒ. Aunque la onda térmica está en descomposición fuerte, su naturaleza ondulatoria puede aplicarse para obtener una visión de las propiedades de la muestra. La primera aplicación de interferencia de ondas térmicas se utilizó para determinar el espesor de las capas. En contraste con nuestro método, el efecto de interferencia se utilizó en la dimensión de profundidad ( es decir, perpendicular a la superficie) 13. Al extender la idea de interferencia a una segunda dimensión mediante la división de un rayo láser, se utilizó la interferencia de ondas térmicas para dimensionar defectos subsuperficiales ^14. Sin embargo este método se aplicó en configuración de transmisión, lo que significa que estaba limitado por la penetración Además, debido a que sólo se ha utilizado una fuente láser, este método aplica una interferencia constructiva, lo que significa que se necesita una referencia libre de defectos.Además de la idea de utilizar la interferencia de ondas térmicas, la primera aproximación técnica a la Holtmann y colaboradores utilizaron un proyector de cristal líquido (LCD) no modificado con la fuente de luz incorporada, que estaba severamente limitada en su potencia de salida óptica ^15. Otros enfoques de Pribe y Ravichandran dirigidos a aumentar el rendimiento óptico Potencia de salida al acoplar también un láser a un SLM ^{16 ,} S = "xref"> 17.

El protocolo presentado aquí describe cómo aplicar el método LPPT para localizar defectos subsuperficiales orientados perpendicularmente a la superficie de las muestras de acero. El método está en una etapa temprana, pero lo suficientemente potente como para validar el enfoque propuesto; Sin embargo, sigue siendo limitado en términos de la potencia de salida óptica alcanzable de la configuración experimental. Puesto que el aumento de la potencia de salida óptica sigue siendo un desafío, el método presentado se aplica a las muescas mecanizadas con descarga eléctrica que contienen acero recubierto. Sin embargo, los pasos más importantes y más críticos del protocolo, generando una iluminación estructurada homogénea, cumpliendo con los requisitos previos para la interferencia de ondas térmicas destructivas, y localizando el defecto, todavía sostienen para defectos más exigentes también. Puesto que la cantidad que gobierna es la longitud de difusión térmica μ, el método LPPT también se puede aplicar a numerosos materiales diferentes.

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Figura 1: Principio de efecto de interferencia destructiva. (A) Esquema del patrón de iluminación utilizado durante los experimentos. La muestra es calentada espacial y temporalmente por dos patrones iluminados periódicamente con un desplazamiento de fase de π. La línea discontinua representa la línea de simetría entre ambos patrones. Esta línea se utilizará para la evaluación como una "línea de agotamiento". ( B ) Diagrama del resultado térmico alternante resuelto espacial y temporalmente calculado a partir de la solución analítica de la ecuación de conducción térmica térmica. Muestra las ondas térmicas que responden a la iluminación de (a) con una irradiancia de los dos patrones con P _{opt 1} = 1,5 W sin (2π 0,125 Hz t ) + 1,5 W y P _{opt 2} = 1,5 W sin (2π 0,125 Hz t + Π) + 1,5 W para acero de construcción ρ </Em> = 7,850 kg / m ^$ ³ ^$ , c _p = 461 J / (kg · K), k = 54 W / (m · K). El perfil de temperatura en la línea discontinua no muestra oscilación térmica para material isotrópico homogéneo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2: Esquema del principio de medición del calentamiento estructurado utilizado en termografía activa. Un haz gaussiano homogeneizado a un perfil de sombrero superior se aplica a un modulador de luz espacial (SLM). El SLM resuelve el haz espacialmente por sus elementos conmutables y temporalmente por su velocidad de conmutación. Cada elemento representa un píxel SLM. En este experimento, el SLM es un dispositivo digital micro espejo (DMD). Mediante la modulación del brillo de píxel A con un software de control determinista de tiempo, la superficie de muestraSe calienta de forma estructurada. En el caso del experimento presentado, modulamos dos líneas antifase (fases: φ = 0, π), que son el origen de campos de ondas térmicas interferentes coherentemente a la frecuencia angular ω. Los campos de onda interactúan con la estructura interna de la muestra también influye en el campo de temperatura en la superficie. Esto se mide a través de su radiación térmica por una cámara infrarroja de onda media. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Protocol

NOTA: Atención: Preste atención a la seguridad láser porque la instalación utiliza un láser de clase 4. Por favor use las gafas y ropa de protección correctas. Además, maneje el láser piloto con cuidado. 1. Acople el láser de diodo al kit de desarrollo del proyector (PDK) Preparar la tabla de pan. Preembalse todos los dispositivos a la placa de pruebas como se muestra en la Figura 3 . Coloque la placa de pruebas con todos los dispositivos preensambla…

Representative Results

Siguiendo el protocolo, se eligió el lado 1 de la muestra de acero con un defecto subsuperficial a una profundidad de 0,25 mm para generar resultados representativos. El defecto se colocó inicialmente aproximadamente en el centro del área iluminada. La muestra se movió entonces de -5 mm a 5 mm a través de la etapa lineal a una velocidad de 0,05 mm / s. Utilizando estos parámetros, la Figura 11a muestra los datos de exploración después de extraerlos de la línea d…

Discussion

El protocolo presentado describe cómo localizar defectos artificiales subterráneos orientados perpendicularmente a la superficie. La idea principal del método es crear campos de ondas térmicas interferentes que interactúan con el defecto subsuperficial. Los pasos más importantes son (i) combinar un SLM con un láser de diodo para crear dos patrones alternos de iluminación de alta potencia en la superficie de la muestra; Estos patrones se convierten fototermicamente en campos de ondas térmicas coherentes, (ii) pa…

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