Lazerle Projeksiyonlu Fototermal Termografi Kullanılarak Yapısal Isıtma Yöntemiyle Alt Yüzey Kusurlu Lokalizasyonu
Summary
Bu yöntem dikey yüzey altı kusurların bulunmasını amaçlamaktadır. Burada, bir lazeri bir alansal ışık modülatörüyle birleştirip, iki aşamalı modüle edilmiş çizgi ile deterministik olarak bir örnek yüzeyini ısıtmak için video girdisini tetikleyip çok çözünen termal görüntüler elde ediyoruz. Arıza konumu, termal dalga girişim minimum değerinin değerlendirilmesinden alınır.
Abstract
Sunulan yöntem yüzeye dik olarak yönlendirilmiş yeraltı kusurlarını bulmak için kullanılır. Bunu başarmak için, kusur tarafından bozulan yıkıcı müdahale eden termal dalga alanları oluşturuyoruz. Bu etki ölçülür ve kusurun yerini belirlemek için kullanılır. Değiştirilmiş bir projektör kullanarak zararlı etkileşimli dalga alanlarını oluşturuyoruz. Projektörün orijinal ışık motoru fiberle bağlanmış yüksek güçlü diyot lazerle değiştirilir. Kirişi, projektörün mekansal ışık modülatörüne şekillendirilmiş ve hizalanmıştır ve en başta ışın profilini karakterize ederek ve daha sonra bunu mekanik ve sayısal olarak düzelterek optimum optik verimlilik ve homojen projeksiyon için optimize edilmiştir. Sıkı geometrik duruma (geometrik görüntü bozulmalarının düzeltilmesi dahil) ve numune yüzeyindeki zayıf sıcaklık osilasyonlarını tespit etme gereksinimine göre yüksek performanslı kızılötesi (IR) kamera ayarlanır. Veri toplama işlemi, bir kez eşzamanlı olarak gerçekleştirilebilirBireysel termal dalga alanı kaynakları, tarama aşaması ve IR kamera arasındaki ronizasyon, incelenen spesifik materyale göre ayarlanması gereken özel bir deneysel kurulum kullanılarak oluşturulmuştur. Veri sonrası işleme sırasında, numunenin altındaki bir kusur varlığı ile ilgili bilgi çıkarılır. Numune yüzeyinin sözde tükenme hattından gelen kazanılmış termal radyasyonun titreşen kısmından alınır. Kusurun kesin yeri, son adımda bu salınımların uzaysal-zamansal şeklinin analizinden çıkarılır. Yöntem referans içermez ve termal dalga alanı içerisindeki değişikliklere çok duyarlıdır. Şimdilik, yöntem çelik numuneler ile test edilmiştir, ancak özellikle sıcaklık duyarlı malzemeler için farklı malzemeler için de geçerlidir.
Introduction
Lazerle projelendirilen fototermal termografi (LPPT) yöntemi, test numunesinin hacmine gömülü olan ve ağırlıklı olarak yüzeyine dik olan yüzey altı kusurların yerini belirlemek için kullanılır.
Yöntem Şekil 1b'de gösterildiği gibi aynı gerilme ve frekanstaki iki anti-fazlı termal dalga alanının yıkıcı etkileşimini kullanır. İzotropik kusursuz malzemelerde, termal dalgalar, simetri düzleminde tutarlı süperpozisyonla yıkıcı olarak nötralize edilir ( yani, sıfır sıcaklık osilasyonu). Yüzey altı bir kusurlu bir materyal durumunda, yöntem, geçici ısı akışı ile bu kusur arasındaki yanal ( yani düzlem içi) bileşenlerin etkileşiminden yararlanmaktadır. Bu etkileşim, numune yüzeyindeki simetri hattında yeniden oluşturulmuş salınımlı bir sıcaklık uzamasında ölçülebilir. Şimdi, örnek içeren kusur, üst üste binmiş termal dalga alanı taranıyor veSıcaklık uzama seviyesi numune pozisyonuyla ilişkili olarak ölçülür. Simetri sebebiyle, defektif simetri düzlemi geçtiğinde yıkıcı girişim koşulları bir kez daha karşılanır; Bu, kusuru çok hassas bir şekilde tespit etmemizi sağlar. Dahası, yıkıcı girişimin maksimum bozulma seviyesi kusurun derinliği ile korele olduğundan, sıcaklık taraması 1'i analiz ederek derinliğini belirlemek mümkündür.
LPPT, geçici ısınmanın aktif olarak üretildiği ve bunun sonucunda da geçici ısı dağılımının termal bir IR kamera ile ölçülmekte olduğu iyi kurulmuş tahribatsız bir yöntem olan aktif termografi metodolojisine atanabilir. Genel olarak, bu metodolojinin hassasiyeti, geçici ısı akışına esas olarak dik olan kusurlar ile sınırlıdır. Dahası, geçici geçici ısı iletim denklemi parabolik kısmi diferensiyeldirDenklemde, hacimdeki ısı akışı şiddetle azaltılır. Sonuç olarak, aktif termografi metodolojisinin sondalama derinliği, genellikle milimetre aralığında, yakın bir yüzey bölgesi ile sınırlıdır. En yaygın aktif termografi tekniklerinden ikisi darbeli ve kilitlenmiş termografidir. Düzlemsel optik yüzey aydınlatması 2'den dolayı hızlıdır, ancak yüzeye dik olan geçici ısı akışına neden olurlar. Bu nedenle, bu tekniklerin hassasiyeti, ağırlıklı olarak ısıtılmış numune yüzeyine paralel ( örn. Delaminasyonlar veya boşluklar) yönlendirilmiş kusurlar ile sınırlıdır. Darbeli termografi için ampirik bir kural "en küçük saptanabilir kusurun yarıçapı, yüzeyin altındaki derinliğinden en az bir ila iki kat daha büyük olmalıdır" şeklindedir. Dikey olarak yönlendirilmiş bir kusur ( örneğin bir çatlak) ile ısı akışı arasındaki etkin etkileşim alanını arttırmak için, ısı akışının yönüdeğişti. Örneğin, doğrusal veya dairesel bir noktaya sahip odaklanmış bir lazer kullanarak lokal uyarma, dikey kusur 4 , 5 , 6 , 7 ile etkili bir şekilde etkileşime girebilen bir düzlem içi bileşen ile bir ısı akışı üretir.
Sunulan yöntemde, alt yüzeydeki kusurları tespit etmek için yanal ısı akışı bileşenlerini de kullanıyoruz, ancak termal dalgaların üst üste binebileceği gerçeğini kullanıyoruz, oysa kusurlar, özellikle dikey olarak yönlendirilmiş olanlar, bu üst üste binmeyi bozuyor. Bu yolla sunum yöntemi, referans dışı, simetrik ve çok hassas bir yöntemi andırır; zira suni yüzey altı kusurlarını bir 8 , 9'un çok altındaki bir genişlik / derinlik oranında algılamak mümkündür. Şimdiye kadar, yeterli miktarda enerji sağlayan iki anti fazlı termal dalga alanı oluşturmak zordu. Bu b'ye ulaştıkY Lazer sisteminin yüksek optik gücünü, SLM'nin mekansal ve zamansal çözünürlüğüyle ( Şekil 2'ye bakınız) bir yüksek güçlü projektöre birleştirmeye imkân veren bir yüksek ışıklı diyot lazere uzamsal ışık modülatörü (SLM) bağlamak . Termal dalga alanları, iki anti-fazlı sinüzoidal modüle çizgi deseninin fototermal dönüşümüyle yansıtılan görüntünün piksel parlaklığı üzerinden yaratılmıştır (bkz. Şekil 2 , Şekil 1a ). Bu, numunenin yüzeyinin yapılandırılmış ısıtılmasına yol açar ve iyi tanımlanmış yıkıcı olarak müdahale eden termal dalga alanlarına neden olur. Yer altı bir kusur bulmak için, tahrip edici çıkarsamanın bozulması, bir IR kamera kullanarak yüzeyde bir sıcaklık osilasyonu olarak ölçülür.
Termal dalga terimi tartışmalıdır çünkü termal dalgalar ısı yayılımının yayıcı karakteri nedeniyle enerjiyi nakletmiyor. Hala, dalga benzeri bir davranış vardır hea Periyodik olarak, gerçek dalgalar ile difüzyon süreçleri arasındaki benzerlikleri kullanmamıza izin vererek 10 , 11 , 12 . Böylece, bir termal dalga, yayılma yönünde oldukça sönümlenmiş ancak zamanla periyodik olarak anlaşılabilir ( Şekil 1b ). Karakteristik termal yayılma uzunluğu 
Malzeme özellikleri (termal iletkenlik k , ısı kapasitesi c p ve yoğunluk ρ ) ve uyarma frekansı ƒ ile açıklanmaktadır. Termal dalga şiddetle çürüme olmasına rağmen, dalga yapısı, numunenin özelliklerini anlamak için uygulanabilir. Katmanların kalınlığını belirlemek için ilk termal dalga girişim uygulaması uygulandı. Metodumuzun aksine, parazit etkisi derinlik boyutunda kullanılmıştır ( yani , yüzeye dik olarak) Ref "> 13. Bir lazer ışını ayırarak etkileşim boyutunu ikinci bir boyuta kadar genişletmek için yüzey altı kusurlarını boyutlandırmak için termal dalga girişim kullanıldı 14 Bununla birlikte, bu yöntem iletim konfigürasyonunda uygulanmıştır, bu da penetrasyon ile sınırlandırılmıştır Termal dalgaların derinliği Tek bir lazer kaynağı kullanılmadığı için bu yöntem yapısal paraziti uygular, yani kusursuz bir referansa ihtiyaç duyulur. Termal dalga girişimini kullanma fikrinin yanı sıra, Geçici olarak kontrol edilen ısıtma, Holtmann ve diğerleri tarafından, optik çıkış gücünde ciddi derecede sınırlı yerleşik ışık kaynağına sahip değiştirilmemiş bir sıvı kristal ekran (LCD) projektör kullanılarak gerçekleştirildi. [ 15 ] Pribe ve Ravichandran'ın diğer yaklaşımları, Bir lazerin bir SLM'ye ( 16) bağlanmasıyla , S = "xref"> 17.
Burada sunulan protokol, çelik numunelerin yüzeyine dikey olarak yönlendirilmiş yeraltı kusurlarının yerini belirlemek için LPPT yönteminin nasıl uygulanacağını açıklamaktadır. Yöntem erken bir aşamadadır, ancak önerilen yaklaşımı onaylayacak kadar güçlüdür; Bununla birlikte, deney düzeneğinin erişilebilir optik çıkış gücü açısından hala sınırlıdır. Optik çıkış gücünün artması bir zorluk olmaya devam ettiği için sunulan yöntem suni elektrik boşaltma ile işlenmiş çentikler içeren kaplamalı çelik üzerine uygulanmaktadır. Yine de, protokolün homojen bir yapılandırılmış aydınlatma üreten, yıkıcı termal dalga girişiminin ön koşullarını yerine getiren ve kusurun yerini tespit eden en önemli ve kritik adımları halen daha zorlu kusurlar için de geçerlidir. Yönetim miktarı termik yayılma uzunluğu μ olduğu için, LPPT yöntemi çok sayıda farklı malzemeye de uygulanabilir.
nt ">
Şekil 1: Zararlı parazit etkisi ilkesi. ( A ) Deneyler sırasında kullanılan aydınlatma düzeninin şeması. Numune, π'nin bir faz kaydırması ile periyodik olarak aydınlatılan iki desenle uzaysal ve geçici olarak ısıtılır. Kesikli çizgi, her iki desen arasındaki simetri çizgisini temsil eder. Bu çizgi değerlendirme için "tükenme çizgisi" olarak kullanılacaktır. ( B ) Termal ısı iletim denkleminin analitik çözümünden hesaplanan uzamsal ve zamansal olarak çözülen alternatif termal sonuç diyagramı. (A) 'nın aydınlatılmasına tepki veren termal dalgaları, P opt 1 = 1.5 W sin (2π 0.125 Hz t ) + 1.5 W ve P opt 2 = 1.5 W sin (2π, 0.125 Hz t + Π) + inşaat çelikleri için 1,5 W ρ </Em> = 7,850 kg / m3, cp = 461 J / (kg.K), k = 54 W / (m.K). Kesikli çizgideki sıcaklık profili, homojen, izotropik malzeme için termal salınım göstermez. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.
Şekil 2: Aktif termografide kullanılan yapılandırılmış ısıtma ölçüm prensibinin şeması. Bir üst şapka profiline homojenize edilmiş bir Gauss kirişi, Bir Uzaysal Işık Modülatörüne (SLM) uygulanır. SLM kirişi, değiştirilebilir elemanları ve zamana göre anahtarlama hızı ile uzamsal olarak giderir. Her öğe, bir SLM pikseli temsil eder. Bu deneyde SLM, bir dijital mikro ayna cihazı (DMD) 'dir. Piksel parlaklığı A'nın zaman deterministik kontrol yazılımı ile modüle edilerek, numune yüzeyiYapılandırılmış bir şekilde ısıtılır. Sunulan deneyde, açısal frekansta ω'da tutarlı şekilde müdahale eden termal dalga alanlarının kaynağı olan iki anti-fazlı hattı (fazlar: φ = 0, π) modüle ederiz. Dalga alanları, yüzeydeki sıcaklık alanını da etkileyen numunenin iç yapısıyla etkileşir. Bu, termal radyasyon ile orta dalga kızıl ötesi kamera ile ölçülür. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.
Protocol
Representative Results
Discussion
Sunulan protokol, yüzeye dik doğrultuda yapay alt yüzey kusurlarının nasıl bulunacağını açıklamaktadır. Yöntemin ana fikri yeraltı kusuruyla etkileşime giren müdahale eden termal dalga alanları oluşturmaktır. En önemli adımlar şunlardır: (i) numune yüzeyinde iki adet değişen yüksek güçlü aydınlatma örneği oluşturmak için bir SLM'yi bir diyod lazeri ile birleştirmek; Bu modeller fototermal olarak tutarlı termal dalga alanlarına dönüştürülür, (ii) yüzey altı bir kusurla et…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Taarna Studemund ve Hagen Wendler'a, deneysel düzenin fotoğraflarını çekerken ve resim yayınlamaya hazır oldukları için teşekkür ederiz. Ayrıca, örnek hazırlama için Anne Hildebrandt'a ve kanıta dayalı okumalar için Sreedhar Unnikrishnakurup, Alexander Battig ve Felix Fritzsche'ye teşekkür etmek istiyoruz.
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
- Thiel, E., Kreutzbruck, M., Ziegler, M. Laser-projected photothermal thermography using thermal wave field interference for subsurface defect characterization. Appl. Phys. Lett. 109 (12), 123504 (2016).
- Ibarra-Castanedo, C., Tarpani, J. R., Maldague, X. P. V. Nondestructive testing with thermography. Eur. J. Phys. 34 (6), 91-109 (2013).
- Maldague, X. P. Introduction to NDT by active infrared thermography. Mater. Eval. 60 (9), 1060-1073 (2002).
- Li, T., Almond, D. P., Rees, D. A. S. Crack imaging by scanning pulsed laser spot thermography. Ndt&E Int. 44 (2), 216-225 (2011).
- Lugin, S. Detection of hidden defects by lateral thermal flows. Ndt&E Int. 56, 48-55 (2013).
- Li, T., Almond, D. P., Rees, D. A. S. Crack imaging by scanning laser-line thermography and laser-spot thermography. Meas. Sci. Technol. 22 (3), (2011).
- Pech-May, N. W., Oleaga, A., Mendioroz, A., Salazar, A. Fast Characterization of the Width of Vertical Cracks Using Pulsed Laser Spot Infrared Thermography. Journal of Nondestructive Evaluation. 35 (2), 22 (2016).
- Thiel, E., Kreutzbruck, M., Ziegler, M., Douglass, M. R., King, P. S., Lee, B. L. . Proc. SPIE 9761. , (2016).
- Thiel, E., Kreutzbruck, M., Ziegler, M. . Proc. WCNDT 2016. , 6 (2016).
- Mandelis, A. . Diffusion-Wave Fields: mathematical methods and Green functions. , (2001).
- Almond, D., Patel, P. . Photothermal Science and Techniques. 10, (1996).
- Salazar, A. Energy propagation of thermal waves. Eur. J. Phys. 27 (6), 1349-1355 (2006).
- Bennett, C. A., Patty, R. R. Thermal wave interferometry: a potential application of the photoacoustic effect. Appl. Opt. 21 (1), 49-54 (1982).
- Busse, G. Stereoscopic depth analysis by thermal wave transmission for nondestructive evaluation. Appl. Phys. Lett. 42 (4), 366 (1983).
- Holtmann, N., Artzt, K., Gleiter, A., Strunk, H. P., Busse, G. Iterative improvement of Lockin-thermography results by temporal and spatial adaption of optical excitation. Qirt J. 9 (2), 167-176 (2012).
- Pribe, J. D., Thandu, S. C., Yin, Z., Kinzel, E. C. Toward DMD illuminated spatial-temporal modulated thermography. Proc. SPIE 9861. , (2016).
- Ravichandran, A. . Spatial and temporal modulation of heat source using light modulator for advanced thermography. , (2015).
- . . DLP 0.55 XGA Series 450 DMD. , (2015).
- . DLP LightCommander Control Software – User Manual Available from: https://support.logicpd.com/ProductDownloads/LegacyProducts/DLPLightCommander.aspx?_sw_csrfToken=318b0448 (2011)
- Moench, H., et al. High-power VCSEL systems and applications. Proc. SPIE 9348. , (2015).
