Lokalisering af overfladefejl ved struktureret opvarmning ved hjælp af laserprojiceret fototermisk termografi

Summary

Denne metode sigter mod at lokalisere vertikale undergrundsfejl. Her kobler vi en laser med en rumlig lysmodulator og udløser dens videoindgang for at opvarme en prøveoverflade deterministisk med to anti-fasede modulerede linjer, samtidig med at man opnår højt solide termiske billeder. Defektpositionen hentes fra evaluering af termisk bølgeinterferensminima.

Abstract

Den fremlagte metode bruges til at lokalisere undergrundsdefekter orienteret vinkelret på overfladen. For at opnå dette skaber vi destruktivt forstyrrende termiske bølgefelter, der er forstyrret af defekten. Denne effekt måles og bruges til at lokalisere fejlen. Vi danner de ødelæggende forstyrrende bølgefelter ved at bruge en modificeret projektor. Projektorens originale lysmotor er udskiftet med en fiberkoblet kraftdiodelaser. Dens stråle er formet og justeret til projektorens rumlig lysmodulator og optimeret til optimal optisk gennemløb og homogen projektion ved først at karakterisere bjælkeprofilen og for det andet korrigere det mekanisk og numerisk. Et højtydende infrarødt (IR) kamera opstilles i henhold til den stramme geometriske situation (herunder korrektioner af de geometriske billedforvrængninger) og kravet om at detektere svage temperaturoscillationer på prøveoverfladen. Dataindsamling kan udføres en gang en synkroniseringRonisering mellem de enkelte termiske bølgefeltkilder, scanningstrinnet og IR-kameraet etableres ved hjælp af en dedikeret eksperimentel opsætning, som skal indstilles til det specifikke materiale, der undersøges. Under data efterbehandling udvindes de relevante oplysninger om tilstedeværelsen af ​​en defekt under prøveens overflade. Den hentes fra den oscillerende del af den overtagne termiske stråling, der kommer fra den såkaldte udtømningslinie på prøveoverfladen. Den præcise placering af defekten er udledt af analysen af ​​den rumlige-temporale form af disse svingninger i et sidste trin. Metoden er referencefri og meget følsom for ændringer inden for termisk bølgefelt. Indtil videre har metoden været testet med stålprøver, men det gælder også forskellige materialer, især temperaturfølsomme materialer.

Introduction

Den laserprojicerede fototermiske termografi (LPPT) -metode bruges til at lokalisere undergrundsdefekter, som er indlejret i prøvenes volumen og orienteret overvejende vinkelret på dens overflade.

Metoden anvender den destruktive interferens af to anti-fasede termiske bølgefelter med den samme forlængelse og frekvens som vist i figur 1b . I isotrope defektfrie materialer neutraliserer de termiske bølger destruktivt ( dvs. nul temperaturoscillation) ved symmetriplanet ved sammenhængende overlejring. I tilfælde af et materiale med en undergrundsfejl udnytter metoden interaktionen mellem de laterale komponenter ( dvs. i plan) mellem den forbigående varmeflow og denne defekt. Denne interaktion kan måles i en genskabt oscillerende temperaturforlængelse ved symmetrilinjen på prøveoverfladen. Nu scannes den defekt indeholdende prøve af det overlejrede termiske bølgefelt ogNiveauet af temperaturforlængelse måles i forhold til prøvepositionen. På grund af symmetri er den destruktive interferens betingelse igen opfyldt, når defekten krydser symmetriplanet; Dette gør det muligt for os at lokalisere defekten meget følsomt. Da niveauet for maksimal forstyrrelse af den ødelæggende interferens korrelerer med fejlens dybde, er det desuden muligt at bestemme dens dybde ved at analysere temperaturscanning ¹ .

LPPT kan tildeles den aktive termografimetode, en veletableret ikke-destruktiv metode, hvor forbigående opvarmning genereres aktivt, og den resulterende, også forbigående temperaturfordeling måles via et termisk IR-kamera. Generelt er følsomheden af ​​denne metode begrænset til defekter, som er orienteret i det væsentlige vinkelret på den forbigående varmeflow. Da den styrende forbigående varmeledningsligning er desuden en parabolisk partiel differeNtial ligning, varmemængden i volumen er stærkt dæmpet. Som en følge heraf er sonderingsdybden af ​​den aktive termografimetode begrænset til et nærliggende område, sædvanligvis i millimeterområdet. To af de mest almindelige aktive termografiteknikker er pulset og indlåsningstermografi. De er hurtige på grund af plan optisk belysning ² , men fører til en forbigående varmestrøm vinkelret på overfladen. Derfor er følsomheden af ​​disse teknikker begrænset til defekter, der overvejende orienteres parallelt ( fx delaminationer eller hulrum) til den opvarmede prøveoverflade. En empirisk regel for pulserende termografi siger, at "radiusen af ​​den mindste detekterbare defekt skal være mindst en til to gange større end dens dybde under overfladen" ³ . For at øge det effektive interaktionsområde mellem en vinkelret orienteret defekt ( f.eks. En revne) og varmestrømmen skal retningen af ​​varmestrømmen væreændret. Lokal excitation ved at bruge en fokuseret laser med et lineært eller cirkulært punkt for eksempel genererer et varmestrøm med en in-plan komponent, som er i stand til effektivt at interagere med den vinkelrette defekt ^{4 , 5 , 6 , 7} .

I den præsenterede metode bruger vi også de laterale varmestrømskomponenter til at detektere undergrundsdefekter, men vi bruger det faktum, at termiske bølger kan overlejres, mens fejl, især vertikalt orienterede, forstyrrer denne overlejring. På denne måde ligner den fremlagte metode en referencefri, symmetrisk og meget følsom metode, da det er muligt at detektere kunstige undergrundsdefekter med et bredde / dybdeforhold langt under en ^{8 , 9} . Indtil nu var det svært at skabe to anti-fasede termiske bølgefelter, der leverede tilstrækkelig energi. Vi opnåede denne bY kobler en rumlig lysmodulator (SLM) til en høj-effektdiode laser, som gjorde det muligt for os at fusionere lasersystemets høje optiske effekt med SLM's rumlige og tidsmæssige opløsning (se figur 2 ) i en høj-power projektor . De termiske bølgefelter er nu oprettet ved fototermisk konvertering af to anti-fasede sinusformet modulerede liniemønstre via pixellysstyrken af ​​det projicerede billede (se figur 2 , figur 1a ). Dette fører til struktureret opvarmning af prøveoverfladen og resulterer i veldefinerede destruktivt forstyrrende termiske bølgefelter. For at finde en undergrundsdefekt måles forstyrrelsen af ​​den destruktive indledning som en temperaturoscillation ved overfladen ved hjælp af et IR-kamera.

Udtrykket termisk bølge diskuteres kontroversielt, fordi termiske bølger ikke transporterer energi på grund af varmeudbredelsens diffusive karakter. Alligevel er der bølge-lignende opførsel, når hea Ting med jævne mellemrum tillader os at anvende ligheder mellem reelle bølger og diffusionsprocesser ^{10 , 11 , 12} . Således kan en termisk bølge forstås som stærkt dæmpet i udbredelsesretningen men periodisk over tid ( figur 1b ). Den karakteristiske termiske diffusionslængde Beskrives hermed af dets materialegenskaber (termisk ledningsevne k , varmekapacitet cp og densitet p ) og excitationsfrekvensen ƒ. Selvom den termiske bølge er stærkt forfaldende, kan dens bølge natur anvendes til at få indblik i egenskaberne af prøven. Den første anvendelse af termisk bølgeinterferens blev brugt til at bestemme lagtykkelsen. I modsætning til vores metode blev interferensvirkningen anvendt i dybdimensionen ( dvs. vinkelret på overfladen) Ref "> 13. Udvidelsen af ​​ideen om interferens med en anden dimension ved at opdele en laserstråle blev termisk bølgeinterferens brugt til størrelsen af ​​undergrundsdefekter ^14. Denne metode blev stadig anvendt i transmissionskonfiguration, hvilket betyder, at den var begrænset af penetrationen Dybden af ​​den termiske bølge.Derudover fordi kun en laser kilde er blevet anvendt, anvendes denne metode konstruktiv interferens, hvilket betyder, at der mangler en defektfri reference. Bortset fra ideen om at anvende termisk bølgeinterferens, er den første tekniske tilgang til rumligt og Temporalt styret opvarmning blev udført af Holtmann et al. Ved anvendelse af en umodificeret LCD-projektor med LCD-projektor med den indbyggede lyskilde, som var stærkt begrænset i sin optiske udgangseffekt ^15. Yderligere tilgange af Pribe og Ravichandran med det formål at forøge den optiske Udgangseffekt ved også at forbinde en laser til en SLM ^{16 ,} S = "xref"> 17.

Protokollen, der præsenteres her, beskriver, hvordan man anvender LPPT-metoden til at lokalisere undergrundsdefekter orienteret vinkelret på overfladen af ​​stålprøver. Metoden er på et tidligt stadium, men alligevel kraftigt nok til at validere den foreslåede tilgang Det er dog stadig begrænset med hensyn til den opnåelige optiske udgangseffekt af den eksperimentelle opsætning. Da stigningen i den optiske udgangseffekt forbliver en udfordring, anvendes den fremlagte metode på overtrukket stål indeholdende kunstige elektrisk udladningsbearbejdede hak. Ikke desto mindre er de vigtigste og mest kritiske trin i protokollen, der frembringer en homogen struktureret belysning, opfylder forudsætningerne for destruktiv termisk bølgeinterferens og lokalisering af defekten, stadigvæk ved flere krævende defekter. Da den regulerende mængde er termisk diffusionslængde μ, kan LPPT-metoden også anvendes på mange forskellige materialer.

nt ">
Figur 1: Princippet om destruktiv interferens effekt. ( A ) Skematisk af belysningsmønsteret anvendt under eksperimenter. Prøven opvarmes rumligt og temporært ved to periodisk belyste mønstre med en faseforskydning på π. Den stiplede linje repræsenterer symmetri linjen mellem begge mønstre. Denne linje vil blive brugt til evaluering som en "udtømningslinje". ( B ) Diagram af det rumligt og tidsmæssigt løst alternerende termiske resultat som beregnet ud fra den analytiske opløsning af termisk varmeledningsligning. Den viser de reaktive termiske bølger til belysningen af ​​(a) med en bestråling af de to mønstre med P _{opt 1} = 1,5 W sin (2π 0.125 Hz t ) + 1,5 W og P _{opt 2} = 1,5 W sin (2π 0.125 Hz t + Π) + 1,5 W for konstruktionsstål ρ </Em> = 7.850 kg / m3, c _p = 461 J / (kg · K), k = 54 W / (m · K). Temperaturprofilen på den punkterede linje viser ingen termisk oscillation for homogent, isotropt materiale. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 2: Skematisk af måleprincippet for struktureret opvarmning, der anvendes i aktiv termografi. En Gaussisk stråle, der er homogeniseret til en top hat profil, anvendes til en rumlig lysmodulator (SLM). SLM løser strålen rumligt ved hjælp af dens omskiftelige elementer og tidsmæssigt ved dens omskiftningshastighed. Hvert element repræsenterer en SLM pixel. I dette eksperiment er SLM en digital mikrospiegel enhed (DMD). Ved at modulere pixellysstyrken A med en tidsdeterministisk styringssoftware, er prøveoverfladenOpvarmes på en struktureret måde. I tilfælde af det præsenterede eksperiment modulerer vi to anti-fasede linjer (faser: φ = 0, π), som er årsagen til kohærent interfererende termiske bølgefelter ved vinkelfrekvensen ω. Bølgefelterne interagerer med prøveens indre struktur og påvirker også temperaturfeltet ved overfladen. Dette måles via sin termiske stråling ved hjælp af et midtbølget infrarødt kamera. Klik her for at se en større version af denne figur.

Protocol

BEMÆRK: Forsigtig: Vær opmærksom på lasersikkerhed, fordi opsætningen bruger en klasse 4 laser. Brug venligst de rigtige beskyttelsesbriller og tøj. Håndter også pilotlaseren omhyggeligt. 1. Parodi diodelaser til projektorudviklingssæt (PDK) Forbered brødbrættet. Monter alle enheder til brødbrættet som vist i figur 3 . Sæt brødbrættet med alle præassemblede enheder i et laserlaboratorium. Placer laserfibremontering…

Representative Results

Efter protokollen blev side 1 af stålprøven med en undergrundsdefekt i en dybde på 0,25 mm valgt for at generere repræsentative resultater. Defekten blev oprindeligt anbragt ca. i midten af ​​det belyste område. Prøven blev derefter flyttet fra -5 mm til 5 mm via det lineære trin med en hastighed på 0,05 mm / s. Ved hjælp af disse parametre viser figur 11a scanningsdataene efter ekstraktion af dem fra udtømningslinjen. På dette stadium kan eksperimentets s…

Discussion

Den præsenterede protokol beskriver hvordan man lokaliserer kunstige undergrundsdefekter orienteret vinkelret på overfladen. Hovedformålet med metoden er at skabe interfererende termiske bølgefelter, der interagerer med undergrundsdefekten. De vigtigste trin er (i) at kombinere en SLM med en diodelaser for at skabe to alternerende høj effektbelysningsmønstre på prøveoverfladen; Disse mønstre omdannes fototermisk til kohærente termiske bølgefelter, (ii) at lade dem ødelægge destruktivt, mens de interagerer m…

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