Localisation de défauts souterrains par chauffage structuré à l'aide d'une thermographie photothermique à laser

Summary

Cette méthode vise à localiser des défauts de sous-surface verticaux. Ici, nous couplons un laser avec un modulateur de lumière spatiale et déclenchons son entrée vidéo pour chauffer une surface d'échantillon de manière déterministe avec deux lignes modulées anti-phases lors de l'acquisition d'images thermiques hautement résolues. La position des défauts est extraite de l'évaluation des minimums d'interférence des ondes thermiques.

Abstract

La méthode présentée est utilisée pour localiser des défauts de sous-sol orientés perpendiculairement à la surface. Pour ce faire, nous créons des champs d'onde thermique perturbateurs de manière destructive qui sont perturbés par le défaut. Cet effet est mesuré et utilisé pour localiser le défaut. Nous formons les champs d'ondes parasites destructeurs en utilisant un projecteur modifié. Le moteur léger d'origine du projecteur est remplacé par un laser à diode à haute puissance couplé à la fibre optique. Son faisceau est façonné et aligné sur le modulateur de lumière spatiale du projecteur et optimisé pour un débit optique optimal et une projection homogène en caractérisant d'abord le profil du faisceau et, d'autre part, en le corrigant mécaniquement et numériquement. Une caméra infrarouge à haute performance (IR) est configurée selon la situation géométrique étroite (y compris les corrections des distorsions d'image géométriques) et l'exigence de détecter des oscillations de température faibles à la surface de l'échantillon. L'acquisition de données peut être effectuée une fois par synchronisationLa ronisation entre les sources de champs d'ondes thermiques individuelles, le stade de balayage et la caméra IR est établie en utilisant une configuration expérimentale dédiée qui doit être accordée sur le matériel spécifique étudié. Au cours du post-traitement des données, les informations pertinentes sur la présence d'un défaut sous la surface de l'échantillon sont extraites. Il est récupéré à partir de la partie oscillante du rayonnement thermique acquis provenant de la ligne dite d'appauvrissement de la surface de l'échantillon. L'emplacement exact du défaut est déduit de l'analyse de la forme spatio-temporelle de ces oscillations dans une étape finale. La méthode est sans référence et très sensible aux changements dans le champ d'ondes thermiques. Jusqu'à présent, la méthode a été testée avec des échantillons d'acier, mais s'applique également à différents matériaux, en particulier aux matériaux sensibles à la température.

Introduction

La méthode de thermographie photothermique projetée au laser (LPPT) est utilisée pour localiser les défauts de sous-sol qui sont intégrés dans le volume de l'éprouvette et orientés essentiellement perpendiculairement à sa surface.

La méthode utilise l'interférence destructrice de deux champs d'ondes thermiques anti-phases du même allongement et de la même fréquence que celui illustré à la Figure 1b . Dans les matériaux isotropes exempts de défauts, les ondes thermiques neutralisent de manière destructive ( c'est-à-dire une oscillation de température nulle) au niveau du plan de symétrie par une superposition cohérente. Dans le cas d'un matériau présentant un défaut subsurface, la méthode profite de l'interaction des composants latéraux ( c'est- à- dire du plan) entre le flux de chaleur transitoire et ce défaut. Cette interaction peut être mesurée dans un allongement de la température oscillante recréé à la ligne de symétrie sur la surface de l'échantillon. Maintenant, l'échantillon contenant un défaut est balayé par le champ d'ondes thermiques superposées etLe niveau d'allongement de la température est mesuré par rapport à la position de l'échantillon. En raison de la symétrie, la condition d'interférence destructrice est encore satisfaite lorsque le défaut traverse le plan de symétrie; Cela nous permet de localiser le défaut de manière très délicate. De plus, comme le niveau de perturbation maximale de l'interférence destructrice est en corrélation avec la profondeur du défaut, il est possible de déterminer sa profondeur en analysant le balayage de température ¹ .

Le LPPT peut être affecté à la méthodologie de thermographie active, une méthode non-destructive bien établie, où le chauffage transitoire est activement généré et la distribution de température, ainsi que la transitoire, est mesurée via une caméra IR thermique. En général, la sensibilité de cette méthodologie est limitée aux défauts orientés essentiellement perpendiculairement au flux de chaleur transitoire. De plus, comme l'équation de conduction de chaleur transitoire est un paramètre partiel paraboliqueL'équation interne, le flux de chaleur dans le volume est fortement amorti. En conséquence, la profondeur de sondage de la méthodologie de la thermographie active est limitée à une région proche de la surface, généralement dans la gamme millimétrique. Deux des techniques de thermographie active les plus courantes sont la thermographie à impulsions et à verrouillage. Ils sont rapides grâce à l'éclairage planaire de la surface optique ² , mais conduisent à un flux de chaleur transitoire perpendiculaire à la surface. Par conséquent, la sensibilité de ces techniques est limitée à des défauts parallèles ( par ex. Délamines ou vides) à la surface d'échantillon chauffée. Une règle empirique pour la thermographie pulsée stipule que «le rayon du plus petit défaut détectable doit être au moins une fois deux fois plus grand que sa profondeur sous la surface» ³ . Pour augmenter la zone d'interaction efficace entre un défaut orienté perpendiculairement ( par exemple une fissure) et le flux de chaleur, la direction du flux de chaleur doit êtremodifié. L'excitation locale, en utilisant un laser focalisé avec un point linéaire ou circulaire, par exemple, génère un flux de chaleur avec un composant plan qui peut interagir efficacement avec le défaut perpendiculaire ^{4 , 5 , 6 , 7} .

Dans la méthode présentée, nous utilisons également les composants de flux de chaleur latérale pour détecter les défauts de subsurface, mais nous utilisons le fait que les ondes thermiques peuvent être superposées, alors que les défauts, en particulier les orientés verticalement, perturbent cette superposition. De cette façon, la méthode présentée ressemble à une méthode sans référence, symétrique et très sensible, car il est possible de détecter des défauts de sous-surface artificielle à un rapport largeur / profondeur très inférieur à un ^{8 , 9} . Jusqu'à présent, il était difficile de créer deux champs d'ondes thermiques anti-phases alimentant suffisamment d'énergie. Nous avons réalisé ce bY couplant un modulateur de lumière spatiale (SLM) à un laser à diode haute puissance, ce qui nous a permis de fusionner la haute puissance optique du système laser avec la résolution spatiale et temporelle du SLM (voir Figure 2 ) dans un projecteur haute puissance . Les champs d'ondes thermiques sont maintenant créés par conversion photothermique de deux modèles de lignes modulés en forme sinusoïdale anti-phases par la luminosité des pixels de l'image projetée (voir Figure 2 , Figure 1a ). Cela conduit à un chauffage structuré de la surface de l'échantillon et aboutit à des champs d'ondes thermiques perturbant de manière destructrice bien définie. Afin de trouver un défaut de subsurface, la perturbation de l'inférence destructive est mesurée comme une oscillation de température à la surface à l'aide d'une caméra infrarouge.

Le terme «onde thermique» est controversé parce que les ondes thermiques ne transportent pas d'énergie en raison du caractère diffusif de la propagation de la chaleur. Pourtant, il y a un comportement ondulatoire quand il est Périodiquement, nous permettant d'utiliser les similitudes entre les ondes réelles et les processus de diffusion ^{10 , 11 , 12} . Ainsi, une onde thermique peut être comprise comme fortement amortie dans le sens de propagation mais périodiquement dans le temps ( Figure 1b ). La longueur de diffusion thermique caractéristique Est décrit par ses propriétés matérielles (conductivité thermique k , capacité calorifique c _p et densité ρ ), et la fréquence d'excitation ƒ. Bien que la vague thermique se détériore fortement, sa nature ondulatoire peut être appliquée pour mieux comprendre les propriétés de l'échantillon. La première application de l'interférence des ondes thermiques a été utilisée pour déterminer l'épaisseur des couches. Contrairement à notre méthode, l'effet d'interférence a été utilisé dans la dimension de profondeur ( c'est-à-dire perpendiculaire à la surface) Ref "> 13. En étendant l'idée d'interférence à une deuxième dimension en divisant un faisceau laser, une interférence thermique a été utilisée pour dimensionner les défauts subsurface ^14. Cette méthode a toujours été appliquée dans la configuration de transmission, ce qui signifie qu'elle était limitée par la pénétration En outre, comme seule une source laser a été utilisée, cette méthode applique une interférence constructive, ce qui signifie qu'une référence sans défaut est nécessaire. Outre l'idée d'utiliser des interférences thermiques, la première approche technique à l'échelle spatiale et Le chauffage à réglage temporel a été réalisé par Holtmann et al. En utilisant un projecteur à cristaux liquides non modifié (LCD) avec la source de lumière intégrée, qui était sévèrement limitée dans sa puissance de sortie optique ^15. D'autres approches de Pribe et Ravichandran visant à augmenter l'optique Puissance de sortie en couplant également un laser à un SLM ^{16 ,} S = "xref"> 17.

Le protocole présenté ici décrit comment appliquer la méthode LPPT pour localiser des défauts de sous-sol orientés perpendiculairement à la surface des échantillons d'acier. La méthode est à un stade précoce, mais assez puissante pour valider l'approche proposée; Cependant, il est encore limité en termes de puissance de sortie optique possible de la configuration expérimentale. Étant donné que l'augmentation de la puissance de sortie optique reste un défi, la méthode présentée est appliquée à l'acier revêtu contenant des encoches mécaniques artificielles déchargées électriquement. Néanmoins, les étapes les plus importantes et les plus critiques du protocole, générant un éclairage structuré homogène, répondant aux conditions préalables à l'interférence des ondes thermales destructrices, et à la localisation du défaut, contiennent toujours des défauts plus exigeants. Puisque la quantité de gouvernance est la longueur de diffusion thermique μ, la méthode LPPT peut également être appliquée à de nombreux matériaux différents.

Nt ">
Figure 1: Principe de l'effet de brouillage destructeur. (A) Schéma du motif d'illumination utilisé lors des expériences. L'échantillon est chauffé spatialement et temporellement par deux motifs éclairés périodiquement avec un décalage de phase de π. La ligne pointillée représente la ligne de symétrie entre les deux modèles. Cette ligne sera utilisée pour l'évaluation en tant que «ligne d'épuisement». ( B ) Diagramme du résultat thermique alternatif spatialement et temporellement résolu, calculé à partir de la solution analytique de l'équation de conduction de chaleur thermique. Il montre les ondes thermiques répondantes à l'illumination de (a) avec une irradiance des deux motifs avec P _{opt 1} = 1,5 W sin (2π 0,125 Hz t ) + 1,5 W et P _{opt 2} = 1,5 W sin (2π 0,125 Hz t + Π) + 1,5 W pour l'acier de construction ρ </Em> = 7 850 kg / m ³ , c _p = 461 J / (kg · K), k = 54 W / (m · K). Le profil de température à la ligne pointillée ne montre aucune oscillation thermique pour des matériaux isotropes homogènes. Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2: Schéma du principe de mesure du chauffage structuré utilisé dans la thermographie active. Un faisceau gaussien homogénéisé à un profil de chapeau est appliqué à un modulateur de lumière spatiale (SLM). Le SLM résout le faisceau spatialement par ses éléments commutables et temporellement par sa vitesse de commutation. Chaque élément représente un pixel SLM. Dans cette expérience, le SLM est un dispositif de micro-miroir numérique (DMD). En modulant la luminosité des pixels A avec un logiciel de contrôle déterministe du temps, la surface d'échantillonEst chauffé de manière structurée. Dans le cas de l'expérience présentée, nous modulons deux lignes anti-phases (phases: φ = 0, π), qui sont l'origine de champs d'ondes thermiques interférentes cohérentes à la fréquence angulaire ω. Les champs d'onde interagissent avec la structure interne de l'échantillon influençant également le champ de température à la surface. Ceci est mesuré par son rayonnement thermique par une caméra infrarouge à ondes mi-ondes. Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Protocol

REMARQUE: Attention: faites attention à la sécurité laser car la configuration utilise un laser de classe 4. Portez les lunettes de protection et les vêtements appropriés. De plus, manipulez le laser pilote avec précaution. 1. Associez le Laser Diode au Kit de Développement de Projecteur (PDK) Préparer la planche à pain. Préassemblez tous les appareils sur la platane comme indiqué sur la Figure 3 . Placez la platane avec tous les appareils préasse…

Representative Results

Après le protocole, le côté 1 de l'échantillon d'acier avec un défaut de subsurface à une profondeur de 0,25 mm a été choisi pour générer des résultats représentatifs. Le défaut a été initialement positionné approximativement au centre de la zone éclairée. L'échantillon a ensuite été déplacé de -5 mm à 5 mm par l'étape linéaire à une vitesse de 0,05 mm / s. En utilisant ces paramètres, la figure 11a montre les données de balay…

Discussion

Le protocole présenté décrit comment localiser des défauts de sous-surface artificiels orientés perpendiculairement à la surface. L'idée principale de la méthode est de créer des champs d'ondes thermiques interférentes qui interagissent avec le défaut subsurface. Les étapes les plus importantes sont (i) combiner un SLM avec un laser à diode afin de créer deux modèles d'éclairage alternatifs à haute puissance à la surface de l'échantillon; Ces modèles sont transformés par voie phototh…

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