Subsurface Defekt lokalisering genom strukturerad uppvärmning med hjälp av laserprojicerad fototermisk termografi

Summary

Denna metod syftar till att lokalisera vertikala underskriftsfel. Här kopplar vi en laser med en rumslig lysmodulator och utlöser dess videoingång för att värma en provyta bestämt med två antifaserade modulerade linjer samtidigt som vi förvärvar högt upplösta termiska bilder. Felpositionen hämtas från utvärdering av termiska våginterferensminima.

Abstract

Den presenterade metoden används för att lokalisera underskriftsdefekter orienterade vinkelrätt mot ytan. För att uppnå detta skapar vi destruktivt störande termiska vågfält som störs av defekten. Denna effekt mäts och används för att lokalisera defekten. Vi bildar de destruktivt störande vågfälten genom att använda en modifierad projektor. Projektorns originalljusmotor är ersatt med en fiberkopplad högeffektdiodlaser. Dess stråle är formad och inriktad mot projektorns rumsliga ljusmodulator och optimerad för optimal optisk genomströmning och homogen projektion genom att först karakterisera strålprofilen och för det andra korrigera det mekaniskt och numeriskt. En högpresterande infraröd (IR) kamera ställs in i enlighet med den snäva geometriska situationen (inklusive korrigeringar av de geometriska bildförvrängningarna) och kravet på att detektera svaga temperaturoscillationer vid provytan. Datainsamling kan utföras en gång per synkRonisering mellan de enskilda termiska vågfältkällorna, scanningssteget och IR-kameran upprättas med hjälp av en dedikerad experimentell inställning som måste anpassas till det specifika materialet som undersöks. Under data efterbehandling extraheras relevant information om förekomsten av en defekt under provets yta. Den hämtas från den oscillerande delen av den förvärvade värmestrålningen som kommer från den så kallade utplåningslinjen på provytan. Den exakta lokaliseringen av defekten härleds från analysen av den spatiala temporala formen av dessa oscillationer i ett slutsteg. Metoden är referensfri och mycket känslig för förändringar inom värmevågfältet. Hittills har metoden testats med stålprover men gäller även olika material, särskilt temperaturkänsliga material.

Introduction

Den laserprojicerade fototermiska termografiprocessen (LPPT) används för att lokalisera underskriftsfel som är inbäddade i provprovets volym och orienterad övervägande vinkelrätt mot dess yta.

Metoden använder den destruktiva interferensen av två anti-fasade termiska vågfält med samma förlängning och frekvens som visas i figur 1b . I isotropa defektfria material neutraliserar termiska vågor destruktivt ( dvs noll temperaturoscillation) vid symmetriplanet genom koherent överlagring. Vid ett material med en underjordsfel utnyttjar metoden interaktionen mellan de laterala komponenterna ( dvs. i planet) mellan det transienta värmeflödet och denna defekt. Denna interaktion kan mätas i en återskapad oscillerande temperaturöjning vid symmetrilinjen på provytan. Nu är det defektsinnehållande provet skannat av det överliggande termiska vågfältet ochNivån av temperaturförlängning mäts i förhållande till provpositionen. På grund av symmetri är det destruktiva interferensförhållandet nöjd igen när defekten korsar symmetriplanet; Detta gör att vi kan lokalisera defekten mycket noggrant. Eftersom nivån på maximal störning av den destruktiva interferensen korrelerar med djupet hos defekten är det dessutom möjligt att bestämma dess djup genom att analysera temperatursökningen ¹ .

LPPT kan tilldelas den aktiva termografiska metoden, en väletablerad icke destruktiv metod där transient uppvärmning genereras aktivt och den resulterande, även övergående temperaturfördelningen mäts via en termisk IR-kamera. I allmänhet är känsligheten av denna metod begränsad till defekter som är orienterade väsentligen vinkelrätt mot det transienta värmeflödet. Eftersom den styrande transienta värmeledningsekvationen är dessutom en parabolisk partiell differeNivelekvationen är värmeflödet i volymen kraftigt dämpat. Som en konsekvens begränsas undersökningsdjupet för den aktiva termografiska metoden till en närliggande region, vanligtvis i millimeterområdet. Två av de vanligaste aktiva termografiteknikerna är pulserad och inlåsningstermografi. De är snabba på grund av plan optisk belysning ² , men leder till ett övergående värmeflöde vinkelrätt mot ytan. Därför är känsligheten av dessa tekniker begränsad till defekter som övervägande orienterade parallella ( t.ex. delaminationer eller hålrum) till den uppvärmda provytan. En empirisk regel för pulserad termografi säger att "raden av den minsta detekterbara defekten bör vara minst en till två gånger större än dess djup under ytan" ³ . För att öka det effektiva interaktionsområdet mellan en vinkelrätt orienterad defekt ( t.ex. en spricka) och värmeflödet måste värmeflödet riktasändrats. Lokal excitation, exempelvis genom att använda en fokuserad laser med en linjär eller cirkulär punkt, genererar ett värmeflöde med en inplan-komponent som effektivt kan interagera med den vinkelräta defekten ^{4 , 5 , 6 , 7} .

I den presenterade metoden använder vi också de laterala värmeflödeskomponenterna för att upptäcka underskriftsfel, men vi använder det faktum att termiska vågor kan läggas över, medan defekter, särskilt vertikalt orienterade, stör denna superposition. På så sätt liknar den presenterade metoden en referensfri, symmetrisk och mycket känslig metod, eftersom det är möjligt att detektera artificiella underskriftsfel vid ett bredd / djupförhållande långt under en ^{8 , 9} . Fram till nu var det svårt att skapa två anti-fasade termiska vågfält som gav tillräcklig energi. Vi uppnådde detta bY koppla en rumslig lysmodulator (SLM) till en högeffektsdiodlaser, vilket gjorde det möjligt för oss att slå samman den höga optiska effekten hos lasersystemet med den rumsliga och tidsmässiga upplösningen av SLM (se figur 2 ) i en kraftprojektor . Värmeböljfälten skapas nu genom fototermisk omvandling av två antifaserade sinusformigt modulerade linjemönster via pixelstyrkan hos den projicerade bilden (se figur 2 , figur 1a ). Detta leder till strukturerad uppvärmning av provytan och resulterar i väldefinierade destruktivt störande termiska vågfält. För att hitta en underjordisk defekt mäts störningen av den destruktiva inferensen som en temperaturoscillation vid ytan med hjälp av en IR-kamera.

Uttrycket termisk våg diskuteras kontroversiellt eftersom termiska vågor inte transporterar energi på grund av värmeförökningens diffusiva karaktär. Fortfarande är det vågliknande beteende när hea Ting med jämna mellanrum, så att vi kan använda likheter mellan verkliga vågor och diffusionsprocesser ^{10 , 11 , 12} . Således kan en termisk våg förstås som högdämpad i utbredningsriktningen men periodisk över tiden ( Figur Ib ). Den karakteristiska termiska diffusionslängden Beskrivs härmed av dess materialegenskaper (värmeledningsförmåga k , värmekapacitet cp och densitet p ) och excitationsfrekvensen ƒ. Fastän den termiska vågan försvinner starkt, kan dess våg natur appliceras för att få insikt i provets egenskaper. Den första appliceringen av termisk våginterferens användes för att bestämma lagrets tjocklek. I motsats till vår metod användes störningseffekten i djupdimensionen ( dvs. vinkelrätt mot ytan) Ref "> 13. Förlängning av tanken på störning av en andra dimension genom att dela upp en laserstråle användes termisk våginterferens för att dimensionera underskriftsdefekterna ^14. Fortfarande användes denna metod i överföringskonfiguration vilket innebär att den var begränsad av penetreringen Värmevågens djup. Eftersom endast en laserkälla har använts gäller denna metod konstruktiv interferens, vilket innebär att en defektfri referens behövs. Förutom ideen att använda termisk våginterferens, är det första tekniska tillvägagångssättet för rumsligt och Temporärt kontrollerad uppvärmning utfördes av Holtmann et al. Med användning av en omodifierad LCD-projektor med flytande kristall (LCD) -projektor med den inbyggda ljuskällan, som var allvarligt begränsad i sin optiska utgångseffekt 15. Ytterligare tillvägagångssätt av Pribe och Ravichandran, som syftar till att öka den optiska Utgångseffekt genom att även koppla en laser till en SLM ^{16 ,} S = "xref"> 17.

Protokollet som presenteras här beskriver hur man applicerar LPPT-metoden för att lokalisera underskriftsdefekter orienterade vinkelrätt mot ytan av stålprover. Metoden är i ett tidigt skede, men ändå kraftfullt nog att validera det föreslagna tillvägagångssättet. Det är emellertid fortfarande begränsat med avseende på den uppnåbara optiska utmatningskraften i experimentuppsättningen. Eftersom ökningen av den optiska utgångseffekten fortfarande är en utmaning, appliceras den presenterade metoden på belagt stål innehållande konstgjorda elektriska urladdningsbearbetade skåror. Ändå håller de viktigaste och mest kritiska stegen i protokollet, som genererar en homogen strukturell belysning, mötesförutsättningar för destruktiv termisk våginterferens och lokalisering av defekten, fortfarande för mer krävande defekter. Eftersom den reglerade kvantiteten är den termiska diffusionslängden μ, kan LPPT-metoden appliceras på många olika material också.

nt ">
Figur 1: Princip för destruktiva interferenseffekter. ( A ) Schematisk av belysningsmönstret som användes under experiment. Provet upphettas rumligt och temporärt av två periodiskt upplysta mönster med fasförskjutning av π. Den streckade linjen representerar symmetrilinjen mellan båda mönstren. Denna linje kommer att användas för utvärdering som en "uttömningslinje". ( B ) Diagram över det rumsligt och tidsmässigt upplösta alternerande termiska resultatet som beräknat från den analoga lösningen av värmekärlledningsekvationen. Den visar de svarande termiska vågorna på belysningen av (a) med en bestrålning av de två mönstren med P _{opt 1} = 1,5 W sin (2π 0.125 Hz t ) + 1,5 W och P _{opt 2} = 1,5 W sin (2π 0,125 Hz t + Π) + 1,5 W för konstruktionsstål ρ </Em> = 7,850 kg / m3, _cp = 461 J / (kg · K), k = 54 W / (m · K). Temperaturprofilen vid streckad linje visar ingen termisk oscillation för homogent, isotropt material. Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.

Figur 2: Schematisk av mätprincipen för strukturerad uppvärmning som används i aktiv termografi. En Gaussisk stråle som är homogeniserad till en topphattprofil appliceras på en rymdljusmodulator (SLM). SLM löser strålen spatialt av dess omkopplingsbara element och temporärt genom dess omkopplingshastighet. Varje element representerar en SLM-pixel. I detta experiment är SLM en digital mikrospegel-enhet (DMD). Genom att modulera bildens ljusstyrka A med en tidsdeterministisk styrprogramvara, provytanVärms upp på ett strukturerat sätt. Vid det presenterade experimentet modulerar vi två antifaserade linjer (faser: φ = 0, π), vilka är ursprunget till koherent störande termiska vågfält vid vinkelfrekvensen ω. Vågfälten interagerar med provets inre struktur och påverkar även temperaturfältet vid ytan. Detta mäts via sin termiska strålning med en infraröd kamera i mitten. Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.

Protocol

OBS! Varning: Var uppmärksam på lasersäkerheten eftersom installationen använder en klass 4-laser. Använd lämpliga skyddsglasögon och kläder. Hantera också pilotlasern försiktigt. 1. Koppla diodlasern till projektorns utvecklingssats (PDK) Förbered brödbrädet. Montera alla enheter i brödbrädet enligt bild 3 . Lägg brödbrädet med alla förmonterade enheter i ett laserlaboratorium. Placera laserfiberfästet på brö…

Representative Results

Efter protokollet valdes sid 1 av stålprovet med en underskriftsdefekt vid ett djup av 0,25 mm för att generera representativa resultat. Defekten var initialt placerad ungefär i mitten av det upplysta området. Provet flyttades sedan från -5 mm till 5 mm via det linjära steget med en hastighet av 0,05 mm / s. Med hjälp av dessa parametrar visar figur 11a skanningsdata efter att ha extraherats från uttömningslinjen. I detta skede kan experimentets framgång uppska…

Discussion

Det presenterade protokollet beskriver hur man lokaliserar artificiella underskriftsdefekter orienterade vinkelrätt mot ytan. Huvudideen med metoden är att skapa störande termiska vågfält som interagerar med undersidan defekten. De viktigaste stegen är att (i) kombinera en SLM med en diodlaser för att skapa två alternerande högeffektsbelysningsmönster vid provytan; Dessa mönster omvandlas fototermiskt till koherenta termiska vågfält, (ii) låta dem förstöra destruktivt medan de interagerar med en underjor…

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