Subsurface Defect Localisatie door Gestructureerde Verwarming Met Laser Geprojecteerde Phot Thermische Thermografie

Summary

Deze methode streeft naar het lokaliseren van verticale ondergrondse defecten. Hier koppelen we een laser aan met een ruimtelijke lichtmodulator en trekken de video-ingang om deterministisch een monsteroppervlak te verwarmen met twee antifase gemoduleerde lijnen, met het verwerven van sterk opgeloste thermische beelden. De defectpositie wordt opgehaald om de thermische golfinterferentie minima te evalueren.

Abstract

De gepresenteerde methode wordt gebruikt om ondergrondse defecten die loodrecht op het oppervlak zijn gericht te lokaliseren. Om dit te bereiken creëren we destructieve thermische golfvelden die door het defect worden verstoord. Dit effect wordt gemeten en gebruikt om het defect te lokaliseren. We vormen de destructief interfererende golfvelden door gebruik te maken van een gewijzigde projector. De originele lichtmotor van de projector wordt vervangen door een vezelkoppelde high-power diode laser. De straal is gevormd en afgestemd op de ruimtelijke lichtmodulator van de projector en is geoptimaliseerd voor optimale optische doorvoer en homogene projectie door het balkprofiel eerst te karakteriseren en, tweede, het mechanisch en numeriek te corrigeren. Een high-performance infrarood (IR) camera is ingesteld op basis van de strakke geometrische situatie (inclusief correcties van de geometrische beeldvervormingen) en de vereiste om zwakke temperatuuroscillaties op het monsteroppervlak te detecteren. Gegevensverzameling kan één keer per synchronisatie worden uitgevoerdRonisatie tussen de individuele thermische golfveldbronnen, het scannen stadium en de IR-camera wordt opgesteld door gebruik te maken van een speciale experimentele setup die moet worden afgestemd op het specifieke materiaal dat wordt onderzocht. Tijdens de data na verwerking wordt de relevante informatie over de aanwezigheid van een defect onder het oppervlak van het monster geëxtraheerd. Het wordt opgehaald uit het oscillerende deel van de verworven thermische straling die afkomstig is van de zogenaamde uitputting lijn van het monsteroppervlak. De exacte locatie van het defect is afgeleid van de analyse van de ruimtelijke-temporale vorm van deze oscillaties in een laatste stap. De methode is referentievrij en zeer gevoelig voor veranderingen binnen het thermische golfveld. Tot nu toe is de methode getest met staalmonsters, maar ook van toepassing op verschillende materialen, met name aan temperatuurgevoelige materialen.

Introduction

De laserprojecteerde fototermische thermografie (LPPT) methode wordt gebruikt om ondergrondse defecten te lokaliseren die in het volume van het testmonster zijn ingebed en overwegend loodrecht op het oppervlak zijn georiënteerd.

De werkwijze gebruikt de destructieve interferentie van twee anti-gefaseerde thermische golfvelden met dezelfde verlenging en frequentie zoals getoond in Figuur 1b . Bij isotrope defectvrije materialen neutraliseren de thermische golven destructief ( dwz nul temperatuur oscillatie) op het symmetrische vlak door coherente superpositie. Bij een materiaal met een ondergrondse afwijking maakt de methode gebruik van de interactie van de laterale componenten ( dwz in het vliegtuig) tussen de transiënte warmtestroom en dit defect. Deze interactie kan worden gemeten in een herschikte oscillerende temperatuurverlenging bij de symmetrie lijn op het monsteroppervlak. Nu wordt het defect bevattende monster gescand door het overgelegde thermische golfveld enHet niveau van de temperatuurverlenging wordt gemeten in relatie tot de steekproefpositie. Vanwege de symmetrie wordt de destructieve interferentie voorwaarde nog eens voldaan wanneer het defect het symmetrievlak overschrijdt; Dit stelt ons in staat het defect zeer gevoelig te lokaliseren. Aangezien het niveau van maximale storing van de destructieve storing correleert met de diepte van het defect, is het mogelijk om de diepte ervan te bepalen door de temperatuurscanning ^{1 te} analyseren.

De LPPT kan worden toegewezen aan de actieve thermografie-methode, een gevestigde niet-destructieve methode, waarbij transiente verwarming actief wordt gegenereerd en de resulterende, ook voorbijgaande, temperatuurverdeling wordt gemeten via een thermische IR-camera. In het algemeen is de gevoeligheid van deze methodiek beperkt tot defecten die in hoofdzaak loodrecht op de transiënte warmtestroom zijn georiënteerd. Bovendien, aangezien de regulerende transiente warmtegeleidingvergelijking een parabolische partiële differe isNtial equation, de warmtestroom in het volume is sterk gedempt. Als gevolg hiervan is de proefdiepte van de actieve thermografie-methode beperkt tot een nabijgelegen gebied, meestal in het millimeterbereik. Twee van de meest gangbare actieve thermografie technieken zijn gepulseerd en lock-in thermografie. Ze zijn snel te wijten aan platte optische oppervlakverlichting ² , maar leiden tot een transiënte warmtestroom loodrecht op het oppervlak. Daarom is de gevoeligheid van deze technieken beperkt tot defecten die overwegend parallel gericht zijn ( bijv. Delaminaties of vochtigheid) aan het verwarmde monsteroppervlak. Een empirische regel voor gepulseerde thermografie stelt dat "de straal van het kleinste detecteerbare defect minimaal een tot twee keer groter is dan de diepte onder het oppervlak" ³ . Om het effectieve interactiegebied te verhogen tussen een loodrecht georiënteerd defect ( bijv. Een kraak) en de warmtestroom, moet de richting van de warmtestroom zijnveranderd. Lokale excitatie, bijvoorbeeld door een gefocusseerde laser met een lineaire of cirkelvormige plek te gebruiken, genereert een warmtestroom met een in-vliegtuigcomponent die effectief kan interageren met het loodrecht defect ^{4 , 5 , 6 , 7} .

In de gepresenteerde methode gebruiken we ook de zijdelingse warmtestroomcomponenten om ondergrondseffecten te detecteren, maar we gebruiken het feit dat thermische golven overbelast kunnen worden, terwijl defecten, vooral verticaal georiënteerde, deze superpositie verstoren. Op deze manier lijkt de gepresenteerde werkwijze op een referentievrije, symmetrische en zeer gevoelige methode, omdat het mogelijk is om kunstmatige ondergrondseffecten op een breedte / diepteverhouding van ver onder de ^{8 , 9} te detecteren. Tot nu toe was het moeilijk om twee anti-gefaseerde thermische golfvelden te creëren die voldoende energie leveren. We hebben deze b bereiktY een ruimtelijke lichtmodulator (SLM) koppelen aan een high-power diode laser, waardoor we de hoge optische kracht van het lasersysteem kunnen combineren met de ruimtelijke en temporale resolutie van de SLM (zie figuur 2 ) in een high-power projector . De thermische golfvelden worden nu gecreëerd door fotothermische omzetting van twee anti-gefaseerde sinusvormige modulerende lijnpatronen via de pixelhelderheid van het geprojecteerde beeld (zie figuur 2 , figuur 1a ). Dit leidt tot gestructureerde verhitting van het monsteroppervlak en resulteert in goed gedefinieerde destructieve interfererende thermische golfvelden. Om een ​​ondergrond defect te vinden, wordt de storing van de destructieve inferentie gemeten als een temperatuuroscillatie op het oppervlak met behulp van een IR-camera.

De term thermische golf wordt omstrede besproken omdat thermische golven geen energie vervoeren door het diffusieve karakter van de warmtevermeerdering. Toch is er golfachtig gedrag als hij Ting periodiek, waardoor we overeenkomsten kunnen maken tussen echte golven en diffusieprocessen ^{10 , 11 , 12} . Zo kan een thermische golf worden begrepen als zeer gedempt in de voortplantingsrichting, maar periodiek over de tijd ( Figuur 1b ). De karakteristieke thermische diffusie lengte Wordt hierbij beschreven door zijn materiële eigenschappen (thermische geleidbaarheid k , warmtecapaciteit cp en dichtheid ρ ) en de excitatiefrequentie ƒ. Hoewel de thermische golf sterk afvalt, kan de golf natuur aangewend worden om inzicht te krijgen in de eigenschappen van het monster. De eerste toepassing van thermische golfinterferentie werd gebruikt om de dikte van lagen te bepalen. In tegenstelling tot onze methode werd het interferentie effect gebruikt in de diepteafmeting ( dwz loodrecht op het oppervlak) Ref "> 13. Het uitbreiden van het idee van interferentie met een tweede dimensie door het splitsen van een laserstraal, thermische golfinterferentie werd gebruikt om ondergrondse defecten ¹⁴ te grootte. Deze methode werd nog steeds in de transmissieconfiguratie toegepast, wat betekent dat het door de penetratie werd beperkt Diepte van de thermische golf. Bovendien, omdat er slechts één laserbron is gebruikt, is deze methode van toepassing op constructieve interferentie, wat betekent dat een defectvrije referentie nodig is. Behalve het idee van thermische golfinterferentie, is de eerste technische aanpak van ruimtelijk en Tijdelijk gecontroleerde verwarming werd uitgevoerd door Holtmann et al. Door gebruik te maken van een niet-gemodificeerde LCD-projector met vloeibare kristal (LCD) met de ingebouwde lichtbron, die erg beperkt was in zijn optische uitgangsvermogen ^15. Verdere aanpak van Pribe en Ravichandran gericht op het vergroten van de optische Output vermogen door ook een laser aan een SLM ^{16 te} koppelen ^, S = "xref"> 17.

Het hier beschreven protocol beschrijft hoe u de LPPT-methode toepast om ondergrondseffecten te lokaliseren die loodrecht op het oppervlak van staalmonsters zijn gericht. De methode is in een vroeg stadium maar toch krachtig genoeg om de voorgestelde aanpak te valideren; Het is echter nog beperkt in termen van de haalbare optische uitgangsvermogen van de experimentele opstelling. Aangezien de toename van de optische uitgangsvermogen een uitdaging blijft, wordt de gepresenteerde werkwijze toegepast op gecoat staal dat kunstmatige elektrisch ontladingsbewerking bevat. Niettemin houden de belangrijkste en meest kritische stappen van het protocol, die een homogene gestructureerde verlichting genereren, de vereisten voor destructieve thermische golfinterferentie en het lokaliseren van het defect, nog steeds vast voor meer veeleisende gebreken. Aangezien de regulerende hoeveelheid de thermische diffusielengte μ is, kan de LPPT-methode ook op tal van verschillende materialen worden toegepast.

nt ">
Figuur 1: Principe van destructief interferentie effect. (A) Schematisch van het verlichtingspatroon dat tijdens experimenten werd gebruikt. Het monster wordt ruimtelijk en tijdelijk verhit door twee periodiek verlichte patronen met een faseverschuiving van π. De streeplijn vertegenwoordigt de symmetrie lijn tussen beide patronen. Deze lijn wordt gebruikt voor evaluatie als een "uitputting lijn". ( B ) Diagram van het ruimtelijk en tijdelijk opgelost afwisselend thermisch resultaat zoals berekend uit de analytische oplossing van de warmte-geleidingsvergelijking. Het geeft de reactie thermische golven aan de verlichting van (a) met een bestraling van de twee patronen met P _{opt 1} = 1,5 W sin (2π 0.125 Hz t ) + 1,5 W en P _{opt 2} = 1,5 W sin (2π 0.125 Hz t + Π) + 1,5 W voor bouwstaal ρ </Em> = 7,850 kg / m3, _cp = 461 J / (kg · K), k = 54 W / (m · K). Het temperatuurprofiel bij de stippellijn laat geen thermische oscillatie zien voor homogeen, isotropisch materiaal. Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2: Schematisch van het meetprincipe van gestructureerde verwarming gebruikt in actieve thermografie. Een Gaussische straal, gehomogeniseerd naar een tophoedprofiel, wordt toegepast op een ruimtelijke lichtmodulator (SLM). De SLM verwerpt de straal ruimtelijk door zijn omschakelbare elementen en tijdelijk door de schakelnelheid. Elk element vertegenwoordigt een SLM-pixel. In dit experiment is de SLM een digitaal microspiegelapparaat (DMD). Door de pixel helderheid A te moduleren met een tijd deterministische controle software, het monster oppervlakWordt op een gestructureerde manier verwarmd. Bij het gepresenteerde experiment moduleren we twee anti-gefaseerde lijnen (fasen: φ = 0, π), die de oorsprong hebben van coherente interfererende thermische golfvelden bij de hoekfrequentie ω. De golfvelden interageren met de binnenste structuur van het monster en beïnvloeden ook het temperatuurveld op het oppervlak. Dit wordt gemeten via zijn thermische straling door middel van een infrarood camera in het midden van de golf. Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

Protocol

OPMERKING: Let op: Let op de veiligheid van de laser omdat de installatie een klasse 4 laser gebruikt. Draag de juiste beschermende bril en kleding. Hanteer ook de pilootlaser met zorg. 1. Koppel de Diode Laser aan de Projector Development Kit (PDK) Bereid het broodbord voor. Monteer alle apparaten op het broodbord, zoals weergegeven in figuur 3 . Plaats het broodbord met alle voorverpakte apparaten in een laserlaboratorium. Plaats…

Representative Results

Na het protocol werd pagina 1 van het staalmonster met een ondergrond defect op een diepte van 0,25 mm gekozen om representatieve resultaten te genereren. Het defect was aanvankelijk gepositioneerd ongeveer in het midden van het verlichte gebied. Het monster werd vervolgens verplaatst van -5 mm tot 5 mm via het lineaire stadium met een snelheid van 0,05 mm / s. Met behulp van deze parameters, toont Figuur 11a de scangegevens na het verwijderen van deze uit de uitputting …

Discussion

Het gepresenteerde protocol beschrijft hoe u kunstmatige ondergrondseffecten kunt lokaliseren die loodrecht op het oppervlak zijn gericht. Het hoofdgedachte van de methode is het creëren van interfererende thermische golfvelden die interfereert met het ondergrondse defect. De belangrijkste stappen zijn: (i) het combineren van een SLM met een diode laser om twee alternerende high power verlichtingspatronen op het monster oppervlak te maken; Deze patronen worden fotothermisch omgezet in coherente thermische golfvelden, (…

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