레이저 조사 형 광열 열 분석을 이용한 구조 가열에 의한 지층 결함 국산화
Summary
이 방법은 수직 표면 하의 결함을 찾는 것을 목표로합니다. 여기서 우리는 레이저를 공간 광 변조기와 결합시키고 비디오 입력을 트리거하여 고분해능 열 화상을 얻는 동안 2 개의 반대 위상 변조 선으로 결정 성있게 시료 표면을 가열합니다. 결함 위치는 열파 간섭 최소값을 평가하여 검색됩니다.
Abstract
제시된 방법은 표면에 수직하게 배향 된 표면 결함을 찾아내는 데 사용됩니다. 이를 달성하기 위해 우리는 결함에 의해 방해받는 파괴적으로 간섭하는 열 파 필드를 생성합니다. 이 효과를 측정하여 결함 위치를 찾습니다. 우리는 수정 된 프로젝터를 사용하여 파괴적인 간섭 파 필드를 형성합니다. 프로젝터의 원래 광 엔진은 파이버 결합 고출력 다이오드 레이저로 대체되었습니다. 빔은 프로젝터의 공간 광 변조기와 모양을 맞추고 정렬되며 빔 프로파일을 먼저 특성화하고 기계적 및 수치 적으로 보정하여 최적의 광학 처리량과 균일 한 투영을 위해 최적화됩니다. 정밀한 기하학적 상황 (기하학적 이미지 왜곡의 보정 포함)과 샘플 표면의 약한 온도 진동을 감지하는 요구 사항에 따라 고성능 적외선 (IR) 카메라가 설치됩니다. 데이터 수집은 한 번 동기화 할 수 있습니다.개별 열 파 필드 소스, 스캐닝 스테이지 및 IR 카메라 간의 론칭은 조사중인 특정 재료에 맞춰 조정해야하는 전용 실험 설정을 사용하여 설정됩니다. 데이터 후 처리 동안, 샘플의 표면 아래의 결함 존재에 대한 관련 정보가 추출된다. 이는 샘플 표면의 소위 공핍 선 (depletion line)에서 나오는 획득 된 열 방사의 진동 부분에서 검색됩니다. 결함의 정확한 위치는 최종 단계에서 이러한 진동의 공간 – 시간적 모양 분석에서 추론됩니다. 이 방법은 참고가 필요하지 않으며 열 파 필드 내의 변화에 매우 민감합니다. 지금까지,이 방법은 강철 샘플로 테스트되었지만 다른 재료, 특히 온도에 민감한 재료에도 적용 가능합니다.
Introduction
레이저 투영 광열 열처리 (LPPT) 방법은 시험편의 부피에 묻혀 표면에 주로 수직으로 배향 된 표면 결함을 찾는 데 사용됩니다.
상기 방법은 도 1b 에 도시 된 바와 같이 동일한 신장 및 주파수의 2 개의 반 위상 열 파 필드의 상쇄 간섭을 사용한다. 등방성 결함이없는 물질에서, 열파는 응집력 중첩에 의해 대칭 평면에서 파괴적으로 중성화 ( 즉, 제로 온도 진동)됩니다. 표면 결함이있는 재료의 경우이 방법은 과도 열 흐름과이 결함 사이의 측면 ( 즉 , 평면 내) 구성 요소의 상호 작용을 이용합니다. 이 상호 작용은 샘플 표면의 대칭 선에서 재현 된 진동 온도 신도에서 측정 할 수 있습니다. 이제, 결함을 포함하는 샘플은 중첩 된 열파 필드에 의해 스캐닝되고,온도 신장의 레벨은 샘플 위치와 관련하여 측정된다. 대칭으로 인해, 결함이 대칭 평면을 가로 지르면 상쇄 간섭 조건이 다시 충족됩니다. 이렇게하면 결함을 매우 민감하게 찾을 수 있습니다. 또한, 상쇄 간섭의 최대 외란의 수준은 결함의 깊이와 관련되기 때문에, 온도 스캔을 분석하여 깊이를 결정할 수 있습니다 1 .
LPPT는 능동형 열처리 방법론에 할당 될 수 있습니다.이 방법론은 과도 가열이 적극적으로 발생하고 일시적인 온도 분포가 열 IR 카메라를 통해 측정되는 잘 설정된 비파괴 방식입니다. 일반적으로,이 방법론의 민감도는 과도 열 흐름과 본질적으로 수직 인 결함으로 제한됩니다. 더욱이, 지배적 인 과도 열전도 방정식은 포물선 부분 차분ntial 방정식, 볼륨으로의 열 흐름은 강하게 감쇠됩니다. 결과적으로 능동형 열 화상 기법의 프로빙 깊이는 일반적으로 밀리미터 범위에 가까운 표면 영역으로 제한됩니다. 가장 보편적 인 능동 열 화상 촬영 기술은 펄스 및 자물쇠 열 화상입니다. 그것들은 평면 광학 표면 조명으로 인해 빠르지 만, 표면에 수직 한 열 흐름을 발생시킵니다. 따라서 이러한 기술의 민감도는 가열 된 시료 표면에 대해 우세하게 평행하게 배향 된 결함 ( 예 : 박리 또는 보이드)으로 제한됩니다. 펄스 열 화상 측정을위한 경험적 규칙은 "검출 할 수있는 가장 작은 결함의 반경은 표면 아래의 깊이보다 최소한 1 ~ 2 배 커야합니다" 3 라고 말합니다. 직각으로 배향 된 결함 ( 예 : 크랙)과 열 흐름 사이의 유효 상호 작용 영역을 증가 시키려면 열 흐름의 방향이변경되었습니다. 예를 들어 직선 또는 원형 스폿이있는 집속 된 레이저를 사용하여 국부 여기는 수직 결함 4 , 5 , 6 , 7 과 효과적으로 상호 작용할 수있는 면내 구성 요소로 열 흐름을 생성합니다.
제시된 방법에서, 우리는 또한 표면 열 결함을 검출하기 위해 측 방향 열 흐름 성분을 사용하지만, 열 파가 중첩 될 수 있다는 사실을 이용한다. 결함, 특히 수직 방향 열은 이러한 중첩을 방해한다. 이러한 방법으로, 제시된 방법은 너비 / 깊이 비율이 8,9 보다 훨씬 낮은 인공적인 표면 하의 결함을 검출 할 수 있기 때문에 기준없는, 대칭적이고 매우 민감한 방법과 닮았다. 지금까지는 충분한 에너지를 공급하는 2 개의 반 위상 열 파 필드를 만드는 것이 어려웠습니다. 우리는 이것을 달성했습니다.공간 광 변조기 (SLM)를 고전력 다이오드 레이저에 연결함으로써 레이저 시스템의 높은 광 출력을 SLM의 공간 및 시간 해상도 ( 그림 2 참조)와 고출력 프로젝터에 병합 할 수있었습니다 . 열 파 필드는 투영 된 이미지의 픽셀 밝기를 통해 2 개의 반 위상 사인 곡선으로 변조 된 선 패턴의 광열 변환에 의해 생성됩니다 ( 그림 2 , 그림 1a 참조). 이것은 샘플 표면의 구조화 된 가열을 초래하고 잘 정의 된 파괴적인 열파 장을 초래합니다. 표면 결함을 발견하기 위해, 파괴적인 추론의 방해는 IR 카메라를 사용하여 표면에서의 온도 진동으로 측정됩니다.
열파라는 용어는 열 전파의 확산 특성으로 인해 열파가 에너지를 전달하지 않기 때문에 논쟁의 여지가 있습니다. 아직도, hea 일 때 물결 같은 행동이 있습니다. 우리는 실제 파와 확산 과정 10 , 11 , 12 사이의 유사점을 사용할 수있게 해줍니다. 따라서, 열파는 전파 방향으로 매우 감쇠되지만 시간에 따라 주기적으로 감쇠 될 수 있습니다 ( 그림 1b ). 특성 열 확산 길이 
(열전도율 k , 열용량 c p 및 밀도 ρ ) 및 여기 주파수 f에 의해 설명된다. 열파가 강하게 붕괴 되더라도 그 파동 특성을 적용하여 시료의 특성에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다. 열파 간섭의 첫 번째 적용은 레이어의 두께를 결정하는 데 사용되었습니다. 우리의 방법과는 달리, 간섭 효과는 깊이 치수 ( 즉 , 표면에 수직) 레이저 빔을 분할하여 간섭의 개념을 제 2 차원으로 확장시키면서, 표면 결함 14의 크기를 결정하기 위해 열파 간섭이 사용되었다. 여전히이 방법은 전송 구성에 적용되었는데, 이는 투과에 의해 제한된다는 것을 의미한다 또한 하나의 레이저 소스 만 사용 되었기 때문에이 방법은 보강 간섭이 적용되므로 결함없는 참조가 필요합니다. 열파 간섭을 사용한다는 아이디어 외에도 공간 및 시간적으로 제어 된 가열은 광 출력이 극도로 제한된 광원이 내장 된 수정되지 않은 액정 디스플레이 (LCD) 프로젝터를 사용하여 홀트만 (Holtmann) 등에 의해 수행되었다 .Pribe와 Ravichandran의 더 많은 접근법은 광학 또한 레이저를 SLM ( 16 ) s = "xref"> 17.
여기에 제시된 프로토콜은 강재 샘플의 표면에 수직으로 배향 된 표면 결함을 찾기 위해 LPPT 방법을 적용하는 방법을 설명합니다. 이 방법은 초기 단계에 있지만 제안 된 접근 방식을 검증 할만큼 강력합니다. 그러나, 그것은 실험 장치의 달성 가능한 광 출력의 관점에서 여전히 제한적이다. 광 출력의 증가는 여전히 과제이므로, 제시된 방법은 인공 전기 방전 가공 노치를 포함하는 코팅 강에 적용된다. 그럼에도 불구하고, 프로토콜의 가장 중요하고 가장 중요한 단계는 균일 한 구조 조명을 생성하고, 파괴적인 열파 간섭에 대한 전제 조건을 충족하며, 결함을 찾는 것이 더 까다로운 결함에도 적용됩니다. 지배적 인 양은 열 확산 길이 μ이기 때문에, LPPT 방법은 수많은 다른 재료에도 적용될 수 있습니다.
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그림 1 : 상쇄 간섭 효과의 원리. ( a ) 실험 도중 사용 된 조명 패턴의 도식. 샘플은 π의 위상 변화를 갖는 두 개의 주기적으로 조명 된 패턴에 의해 공간적 및 시간적으로 가열된다. 파선은 두 패턴 사이의 대칭 선을 나타냅니다. 이 라인은 평가를 위해 "고갈 라인"으로 사용됩니다. ( b ) 열적 열전도 방정식의 해석 해에서 계산 된 공간적, 시간적으로 교번 된 열 결과의 다이어그램. 이것은 (a)의 조명에 대한 응답 열 파를 보여주고 P opt 1 = 1.5 W sin (2π 0.125 Hz t ) + 1.5 W와 P opt 2 = 1.5 W sin (2π 0.125 Hz t + π) + 건축용 강 ρ 에 대한 1.5 W </m = 7,850 kg / m3, cp = 461 J / (kg · K), k = 54 W / (m · K). 점선의 온도 프로파일은 균일 한 등방성 물질에 대한 열 발진을 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2 : 능동형 열 화상 장치에 사용되는 구조화 된 가열의 측정 원리 개요 톱햇 프로파일로 균질화 된 가우시안 빔은 공간 광 변조기 (Spatial Light Modulator, SLM)에 적용된다. SLM은 빔을 스위칭 가능한 요소로 공간적으로 분해하고 스위칭 속도로 시간적으로 분해합니다. 각 요소는 SLM 픽셀을 나타냅니다. 이 실험에서 SLM은 디지털 마이크로 미러 디바이스 (DMD)입니다. 시간 결정적 제어 소프트웨어로 픽셀 휘도 A 를 변조함으로써, 샘플 표면구조화 된 방식으로 가열된다. 제시된 실험의 경우, 각 주파수 ω에서 코 히어 런트 간섭 열 파 필드의 기원 인 두 개의 반 위상 라인 (위상 : φ = 0, π)을 변조한다. 웨이브 필드는 샘플의 내부 구조와 상호 작용하여 표면의 온도 장에 영향을 미칩니다. 이것은 중파 적외선 카메라에 의한 열 방출을 통해 측정됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
Protocol
Representative Results
Discussion
제시된 프로토콜은 표면에 수직으로 향한 인공적인 표면 하의 결함을 찾는 방법을 기술한다. 이 방법의 주요 아이디어는 표면 결함과 상호 작용하는 간섭 열 파 필드를 생성하는 것이다. 가장 중요한 단계는 (i) SLM과 다이오드 레이저를 결합하여 시료 표면에 고전력 조명 패턴을 교대로 생성하는 것, 이 패턴들은 광열 적으로 열 간섭계 (coherent thermal wave field)로 전환되고, (ii) 표면 결함과 상호 작?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
우리는 Taarna Studemund와 Hagen Wendler에게 그림 설치를위한 준비뿐만 아니라 실험 설정의 사진을 찍어 주신 것에 대해 감사드립니다. 또한 샘플 준비를위한 Anne Hildebrandt와 Sreedhar Unnikrishnakurup, Alexander Battig, Felix Fritzsche에게 감사의 말씀을 전합니다.
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 |
Referências
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