Localizzazione dei difetti suburfacea mediante riscaldamento strutturato utilizzando la termografia fototermica proiettata laser

Summary

Questo metodo mira a individuare difetti verticali superficiali. Qui accoppiamo un laser con un modulatore luminoso spaziale e innesco il suo ingresso video per riscaldare una superficie di campionamento deterministicamente con due linee modulate antifase acquisendo immagini termiche fortemente risolte. La posizione di difetto viene recuperata dalla valutazione dei minimi di interferenza dell'onda termica.

Abstract

Il metodo presentato viene utilizzato per individuare i difetti di sottosuolo orientati perpendicolarmente alla superficie. Per raggiungere questo obiettivo, creiamo campi di onde termiche interferenti distruttive che sono disturbati dal difetto. Questo effetto viene misurato e utilizzato per individuare il difetto. Formiamo i campi d'onda interferenti distruttivi usando un proiettore modificato. Il motore leggero originale del proiettore è sostituito da un laser ad alta potenza a fibra ottica. Il suo fascio è sagomato e allineato al modulatore luminoso spaziale del proiettore e ottimizzato per un ottimale throughput ottico e una proiezione omogenea, caratterizzando innanzitutto il profilo del fascio e, in secondo luogo, correggendolo meccanicamente e numericamente. Una telecamera ad infrarossi ad alta prestazione (IR) viene configurata in base alla situazione geometrica rigorosa (compresa la correzione delle distorsioni dell'immagine geometrica) e alla necessità di rilevare oscillazioni di temperatura deboli sulla superficie del campione. L'acquisizione dei dati può essere eseguita una volta sincronizzataLa ronizzazione tra le singole sorgenti di campo di onde termiche, la fase di scansione e la telecamera IR viene stabilita utilizzando una configurazione sperimentale dedicata che deve essere sintonizzata sul materiale specifico esaminato. Durante la post-elaborazione dei dati, vengono estratte le informazioni pertinenti sulla presenza di un difetto sotto la superficie del campione. Viene recuperato dalla parte oscillante della radiazione termica acquisita proveniente dalla cosiddetta linea di esaurimento della superficie del campione. La posizione esatta del difetto è dedotta dall'analisi della forma spaziale-temporale di queste oscillazioni in un passaggio finale. Il metodo è privo di riferimento e molto sensibile ai cambiamenti all'interno del campo d'onda termica. Finora il metodo è stato testato con campioni di acciaio ma è applicabile anche a materiali diversi, in particolare a materiali sensibili alla temperatura.

Introduction

Il metodo di termografia fototermica proiettata laser (LPPT) viene utilizzato per individuare i difetti sottosufficiali che sono incorporati nel volume del campione di prova e orientati prevalentemente perpendicolarmente alla sua superficie.

Il metodo utilizza l'interferenza distruttiva di due campi d'onda termica antifasica dello stesso allungamento e della frequenza come mostrato nella Figura 1b . Nei materiali privi di difetti isotropici le onde termiche neutralizzano in maniera distruttiva ( ovvero oscillazione della temperatura zero) al piano di simmetria per sovrapposizione coerente. In caso di un materiale con un difetto di sovratensione, il metodo sfrutta l'interazione dei componenti laterali ( cioè in-piano) tra il flusso di calore transitorio e questo difetto. Questa interazione può essere misurata in un nuovo allungamento della temperatura oscillante alla linea di simmetria sulla superficie del campione. Ora, il campione che contiene il difetto viene scandito dal campo d'onda termica sovrapposta eIl livello di allungamento della temperatura viene misurato in relazione alla posizione del campione. A causa della simmetria, la condizione di interferenza distruttiva viene soddisfatta ancora una volta quando il difetto attraversa il piano di simmetria; Questo ci permette di individuare il difetto molto sensibilmente. Inoltre, dal momento che il livello di disturbo massimo dell'interferenza distruttiva è correlato alla profondità del difetto, è possibile determinare la sua profondità analizzando la scansione di temperatura ¹ .

Il LPPT può essere assegnato alla metodologia di termografia attiva, un metodo non distruttivo ben consolidato, in cui viene generato attivamente il riscaldamento transitorio e la conseguente distribuzione, anche temporanea, della temperatura viene misurata tramite una telecamera IR termica. In generale, la sensibilità di questa metodologia è limitata a difetti orientati essenzialmente perpendicolari al flusso di calore transitorio. Inoltre, poiché l'equazione di conduzione calorica transitoria di governo è una differenza parabolica parzialeL'equazione nziale, il flusso di calore nel volume è fortemente smorzato. Di conseguenza, la profondità di sondaggio della metodologia di termografia attiva è limitata ad una regione di superficie vicina, di solito nella gamma del millimetro. Due delle più comuni tecniche di termografia attiva sono pulsate e termografiche di blocco. Sono veloci a causa dell'illuminazione planare della superficie ottica ² , ma portano ad un flusso di calore transitorio perpendicolare alla superficie. Pertanto, la sensibilità di queste tecniche è limitata a difetti prevalentemente orientati in parallelo ( ad esempio delaminazioni o vuoti) alla superficie del campione riscaldata. Una regola empirica per la termografia pulsata afferma che "il raggio del più piccolo difetto rilevabile deve essere almeno uno o due volte più grande della sua profondità sotto la superficie" ³ . Per aumentare l'area di interazione effettiva tra un difetto orientato perpendicolarmente ( ad es. Una crepa) e il flusso di calore, è necessario che la direzione del flusso di calorecambiato. L'eccitazione locale, ad esempio, usa un laser concentrato con un punto lineare o circolare, genera un flusso di calore con un componente in piano che è in grado di interagire efficacemente con il difetto perpendicolare ^{4 , 5 , 6 , 7} .

Nel metodo presentato, usiamo anche i componenti laterali di flusso di calore per rilevare i difetti di sottosuolo, ma utilizziamo il fatto che le onde termiche possono essere sovrapposte, mentre difetti, in particolare quelli verticalmente, disturbano questa sovrapposizione. In questo modo, il metodo presentato assomiglia a un metodo senza riferimento, simmetrico e molto sensibile, in quanto è possibile rilevare difetti artificiali di sottosuolo a un rapporto di larghezza / profondità molto inferiore a uno ^{8 , 9} . Fino ad ora era difficile creare due campi d'onda termica antifasica che fornissero energia sufficiente. Abbiamo raggiunto questo bY unisce un modulatore di luce spaziale (SLM) ad un laser a diodi ad alta potenza che ci ha permesso di unire l'alta potenza ottica del sistema laser con la risoluzione spaziale e temporale della SLM (vedi figura 2 ) in un proiettore ad alta potenza . I campi delle onde termali sono ora create dalla conversione fototermica di due modelli di linee modulati sinusoidalmente antifasici tramite la luminosità del pixel dell'immagine proiettata (vedi Figura 2 , Figura 1a ). Ciò porta a un riscaldamento strutturato della superficie del campione e si traduce in campi d'onda termici ben definiti e distruttivi. Per individuare un difetto di sottosuolo, il disturbo dell'inferenza distruttiva viene misurato come una oscillazione di temperatura in superficie utilizzando una telecamera IR.

Il termine "onda termica" viene discusso in modo controverso poiché le onde termiche non trasportano energia a causa del carattere diffusivo della propagazione del calore. Tuttavia, c'è un comportamento simile all'onda quando hea Periodicamente, permettendoci di utilizzare somiglianze tra onde reali e processi di diffusione ^{10 , 11 , 12} . Così, un'onda termica può essere intesa come altamente smorzata nella direzione di propagazione ma periodica nel tempo ( Figura 1b ). La lunghezza di diffusione termica caratteristica È descritta dalle proprietà materiali (conducibilità termica k , capacità termica c _p e densità ρ ) e frequenza di eccitazione ƒ. Anche se l'onda termica si sta decadendo fortemente, la sua natura d'onda può essere applicata per ottenere informazioni sulle proprietà del campione. La prima applicazione di interferenze dell'onda termica è stata utilizzata per determinare lo spessore degli strati. In contrasto con il nostro metodo, l'effetto di interferenza è stato utilizzato nella dimensione di profondità (perpendicolare alla superficie) Ref "> 13. Estendendo l'idea di interferenze a una seconda dimensione dividendo un fascio laser, è stata utilizzata l'interferenza dell'onda termica per dimensionare i difetti sottostanti ^14. Ancora questo metodo è stato applicato nella configurazione della trasmissione, il che significa che è stato limitato dalla penetrazione Inoltre, poiché è stata utilizzata una sola sorgente laser, questo metodo utilizza interferenze costruttive, il che significa che è necessario un riferimento senza difetti. Oltre all'idea di utilizzare l'interferenza dell'onda termica, il primo approccio tecnico a livello spaziale e Il riscaldamento temporale controllato è stato eseguito da Holtmann ed altri utilizzando un proiettore non modificato a cristalli liquidi (LCD) con la sorgente luminosa incorporata, che è stata fortemente limitata nella sua potenza di uscita ottica ^15. Ulteriori approcci di Pribe e Ravichandran mirano ad aumentare l'ottica Potenza di uscita anche collegando un laser ad un SLM ^{16 ,} S = "xref"> 17.

Il protocollo qui descritto descrive come applicare il metodo LPPT per individuare i difetti di sottosuolo orientati perpendicolarmente alla superficie dei campioni d'acciaio. Il metodo è in una fase precoce, ma abbastanza potente per convalidare l'approccio proposto; Tuttavia, è ancora limitata in termini di potenza ottica di uscita ottimale dell'installazione sperimentale. Poiché l'aumento della potenza di uscita ottica rimane una sfida, il metodo presentato viene applicato all'acciaio rivestito contenente tacche lavorate artificiali a scarica elettrica. Tuttavia, i passi più importanti e più critici del protocollo, generando un'illuminazione strutturata omogenea, che soddisfano i requisiti per l'interferenza distruttiva dell'onda termica e individuando il difetto, restano però ancora per difetti più impegnativi. Poiché la quantità di regolazione è la lunghezza di diffusione termica μ, il metodo LPPT può essere applicato anche a numerosi materiali diversi.

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Figura 1: Principio dell'effetto distruttivo di interferenza. ( A ) Schema dello schema di illuminazione utilizzato durante gli esperimenti. Il campione viene riscaldato spazialmente e temporaneamente da due modelli periodicamente illuminati con uno spostamento di fase di π. La linea tratteggiata rappresenta la linea di simmetria tra entrambi i modelli. Questa linea verrà utilizzata per la valutazione come una "linea di esaurimento". ( B ) Diagramma del risultato termico alternato spatialmente e temporaneamente calcolato dalla soluzione analitica dell'equazione di conduzione termica termica. Esso mostra le onde termiche rispondenti all'illuminazione di (a) con un'irradianza dei due modelli con P _{opt 1} = 1,5 W sin (2π 0,125 Hz t ) + 1,5 W e P _{opt 2} = 1,5 W sin (2π 0,125 Hz t + Π) + 1,5 W per l'acciaio costruttivo ρ </Em> = 7.850 kg / m ³ , c _p = 461 J / (kg · K), k = 54 W / (m · K). Il profilo di temperatura sulla linea tratteggiata non mostra alcuna oscillazione termica per materiale omogeneo, isotropico. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Schema del principio di misurazione del riscaldamento strutturato impiegato in termografia attiva. Un fascio Gaussio omogeneizzato a un profilo di cappello è applicato a un Modulatore di Luce Spaziale (SLM). Lo SLM risolve il fascio spazialmente dagli elementi commutabili e temporaneamente dalla velocità di commutazione. Ogni elemento rappresenta un pixel SLM. In questo esperimento, SLM è un dispositivo digitale micro specchio (DMD). Modulando la luminosità del pixel A con un software di controllo deterministico tempo, la superficie del campioneViene riscaldata in modo strutturato. Nel caso dell'esperimento presentato, modulare due linee antifase (fasi: φ = 0, π), che sono l'origine dei campi di onde termali interferenti coerenti alla frequenza angolare ω. I campi d'onda interagiscono con la struttura interna del campione che influenzano anche il campo di temperatura in superficie. Questo viene misurato tramite la sua radiazione termica da una telecamera infrarossa a media onda. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Protocol

NOTA: Attenzione: prestare attenzione alla sicurezza del laser perché l'installazione utilizza un laser di classe 4. Indossare indumenti protettivi e vestiti corretti. Inoltre, maneggiare con attenzione il laser pilota. 1. Coppia il laser diodo al kit di sviluppo del proiettore (PDK) Preparare il breadboard. Riposizionare tutti i dispositivi sulla base, come mostrato in Figura 3 . Posizionare la scheda con tutti i dispositivi preassemblati in un laborato…

Representative Results

Seguendo il protocollo, è stato scelto il lato 1 del campione d'acciaio con un difetto di sottosuolo ad una profondità di 0,25 mm per generare risultati rappresentativi. Il difetto è stato inizialmente posizionato approssimativamente al centro dell'area illuminata. Il campione è stato quindi spostato da -5 mm a 5 mm attraverso lo stadio lineare ad una velocità di 0,05 mm / s. Usando questi parametri, la Figura 11a mostra i dati di scansione dopo averli estra…

Discussion

Il protocollo descritto descrive come individuare difetti artificiali sottostanti orientati perpendicolarmente alla superficie. L'idea principale del metodo è quella di creare campi d'onda termali interferenti che interagiscano con il difetto sottosuolo. I passaggi più importanti sono (i) combinare un SLM con un laser diodi per creare due modelli alternati di illuminazione ad alta potenza sulla superficie del campione; Questi schemi sono convertiti fototermicamente in campi di onde termiche coerenti, (ii) lasc…

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