Локализация дефектов при структурном нагреве с использованием лазерной прогнозируемой фототермической термографии

Summary

Этот метод направлен на обнаружение вертикальных дефектов подповерхностного слоя. Здесь мы соединяем лазер с пространственным модуляторами света и запускаем его видеовход, чтобы детерминировать нагрев образца поверхности с помощью двух антифазированных модулированных линий при получении высоко разрешенных тепловизионных изображений. Положение дефекта извлекается из оценки минимумов помех тепловых волн.

Abstract

Представленный метод используется для обнаружения дефектов подповерхностного слоя, ориентированных перпендикулярно поверхности. Для этого мы создаем деструктивно мешающие тепловые волновые поля, которые нарушаются дефектом. Этот эффект измеряется и используется для обнаружения дефекта. Мы формируем деструктивно интерферирующие волновые поля, используя модифицированный проектор. Оригинальный световой двигатель проектора заменен волоконно-связанным мощным диодным лазером. Его луч сформирован и выровнен по отношению к пространственному модуляторному модулю проектора и оптимизирован для оптимальной оптической пропускной способности и однородной проекции, сначала характеризуя профиль балки, и, во-вторых, корректируя его механически и численно. Высокопроизводительная инфракрасная камера устанавливается в соответствии с жесткой геометрической ситуацией (включая исправления геометрических искажений изображения) и требованием обнаружения слабых колебаний температуры на поверхности образца. Сбор данных может быть выполнен один раз при синхронизацииРонизация между отдельными источниками поля тепловых волн, стадией сканирования и ИК-камерой устанавливается с использованием специальной экспериментальной установки, которая должна быть настроена на конкретный исследуемый материал. Во время пост-обработки данных извлекается соответствующая информация о наличии дефекта ниже поверхности образца. Он извлекается из осциллирующей части полученного теплового излучения, идущего от так называемой линии обеднения поверхности образца. Точное местоположение дефекта выводится из анализа пространственно-временной формы этих колебаний на конечном этапе. Метод не содержит ссылок и очень чувствителен к изменениям в области тепловых волн. До сих пор метод был испытан стальными образцами, но применим также к различным материалам, в частности к чувствительным к температуре материалам.

Introduction

Метод лазерной проецируемой фототермической термографии (LPPT) используется для обнаружения дефектов подповерхностного слоя, которые встроены в объем испытываемого образца и ориентированы преимущественно перпендикулярно к его поверхности.

Метод использует деструктивную интерференцию двух антифазных тепловых волновых полей с одинаковым удлинением и частотой, как показано на рисунке 1b . В изотропных бездефектных материалах тепловые волны нейтрализуют деструктивно ( т.е. колебание нулевой температуры) в плоскости симметрии когерентной суперпозицией. В случае материала с дефектом подповерхностного слоя метод использует взаимодействие латеральных ( т. Е. В плоскости) компонентов между переходным тепловым потоком и этим дефектом. Это взаимодействие может быть измерено в воссозданном колебательном температурном удлинении на линии симметрии на поверхности образца. Теперь дефект, содержащий образец, сканируется наложенным полем тепловых волн иУровень относительного удлинения температуры измеряется относительно положения образца. Из-за симметрии условие разрушающей интерференции снова выполняется, когда дефект пересекает плоскость симметрии; Это позволяет нам обнаружить дефект очень чувствительно. Кроме того, поскольку уровень максимального нарушения деструктивной помехи коррелирует с глубиной дефекта, можно определить его глубину, проанализировав температурное сканирование ¹ .

LPPT может быть назначен активной методологии термографии, хорошо зарекомендовавшим себя неразрушающим методом, когда активно генерируется переходное нагревание, и получаемое, а также временное распределение температуры измеряется с помощью тепловой ИК-камеры. В целом чувствительность этой методики ограничена дефектами, которые ориентированы, по существу, перпендикулярно переходному тепловому потоку. Кроме того, поскольку управляющее переходное уравнение теплопроводности является параболическим частичным дифференцированиемПри этом тепловой поток в объеме сильно затухает. Как следствие, глубина зондирования активной методологии термографии ограничена областью около поверхности, обычно в миллиметровом диапазоне. Двумя наиболее распространенными методами активной термографии являются импульсная и встроенная термография. Они быстрые благодаря плоской оптической поверхности ² , но приводят к переходному тепловому потоку, перпендикулярному поверхности. Поэтому чувствительность этих методов ограничивается дефектами, преимущественно ориентированными параллельно ( например, расслоениями или пустотами) к нагретой поверхности образца. Эмпирическое правило для импульсной термографии гласит, что «радиус наименьшего обнаруживаемого дефекта должен быть как минимум в 1-2 раза больше его глубины под поверхностью» ³ . Чтобы увеличить эффективную площадь взаимодействия между перпендикулярно ориентированным дефектом ( например , трещиной) и тепловым потоком, направление теплового потока должно бытьизменилось. Локальное возбуждение, например, с использованием сфокусированного лазера с линейным или круговым пятном, генерирует тепловой поток с компонентом в плоскости, который способен эффективно взаимодействовать с перпендикулярным дефектом ^{4 , 5 , 6 , 7} .

В представленном методе мы также используем компоненты бокового теплового потока для обнаружения дефектов подповерхностного слоя, но мы используем тот факт, что тепловые волны могут быть наложены друг на друга, а дефекты, особенно вертикально ориентированные, нарушают эту суперпозицию. Таким образом, представленный метод напоминает бесповторный, симметричный и очень чувствительный метод, поскольку можно обнаружить искусственные дефекты подповерхностного слоя при отношении ширины / глубины намного ниже одного ^{, 8} . До сих пор было трудно создать два антифазных тепловых волновых поля, обеспечивающих достаточную энергию. Мы достигли этого bY связать пространственный модулятор света (SLM) с мощным диодным лазером, что позволило объединить высокую оптическую мощность лазерной системы с пространственным и временным разрешением SLM (см . Рисунок 2 ) в мощный проектор , Теперь поля тепловых волн создаются фототермическим преобразованием двух антифазированных синусоидально-модулированных линий линий через яркость пикселя проецируемого изображения (см . Рис. 2 , рис. 1a ). Это приводит к структурированному нагреву поверхности образца и приводит к четко определенным деструктивно мешающим тепловым волнам. Чтобы найти дефект подповерхностного слоя, нарушение деструктивного вывода измеряется как колебание температуры на поверхности с помощью ИК-камеры.

Термин термическая волна обсуждается неоднозначно, поскольку тепловые волны не переносят энергию из-за диффузионного характера распространения тепла. Тем не менее, существует волнообразное поведение, когда hea Что позволяет нам использовать сходство между реальными волнами и диффузионными процессами ^{10 , 11 , 12} . Таким образом, тепловую волну можно понимать как сильно затухающую в направлении распространения, но периодическую по времени ( рис. 1b ). Характерная длина термодиффузии Описывается его материальными свойствами (теплопроводностью k , теплоемкостью c _p и плотностью ρ ) и частотой возбуждения ƒ. Хотя тепловая волна сильно затухает, ее волновая природа может быть применена, чтобы получить представление о свойствах образца. Первое применение интерференции тепловых волн использовалось для определения толщины слоев. В отличие от нашего метода интерференционный эффект использовался в измерении глубины ( т.е. перпендикулярно поверхности) Ref "> 13. Расширяя идею интерференции во втором измерении путем разделения лазерного луча, интерференция тепловых волн использовалась для определения размеров подповерхностных дефектов ^14. Тем не менее этот метод применялся в трансмиссионной конфигурации, а это означает, что он был ограничен проникновением Кроме того, поскольку использовался только один лазерный источник, этот метод применяет конструктивную интерференцию, а это значит, что необходима безошибочная ссылка. Помимо идеи использования тепловых волновых помех, первый технический подход к пространственно- Контролируемое по времени нагревание производилось Холтманом и др. С использованием немодифицированного жидкокристаллического проектора (LCD) со встроенным источником света, который был строго ограничен по своей оптической выходной мощности ^15. Дальнейшие подходы Прибе и Равичандрана были направлены на увеличение оптического Выходную мощность, также связывая лазер с SLM ^{16 ,} S = "xref"> 17.

Представленный здесь протокол описывает, как применить метод LPPT для обнаружения подповерхностных дефектов, ориентированных перпендикулярно поверхности образцов стали. Метод находится на ранней стадии, но все же достаточно мощный, чтобы обосновать предлагаемый подход; Однако она все еще ограничена с точки зрения достижимой оптической выходной мощности экспериментальной установки. Поскольку увеличение оптической выходной мощности остается сложной задачей, представленный способ применяется к покрытой стали, содержащей искусственные вырезы с механическим электрическим разрядом. Тем не менее, наиболее важные и наиболее важные этапы протокола, генерирующие однородное структурированное освещение, удовлетворяющее предпосылкам для разрушающих помех тепловых волн, и обнаружение дефекта, по-прежнему сохраняются и для более требовательных дефектов. Поскольку регулирующей величиной является термодиффузионная длина μ, метод LPPT можно применять и для множества различных материалов.

нт ">
Рисунок 1: Принцип деструктивного интерференционного эффекта. ( A ) Схема диаграммы освещенности, используемой во время экспериментов. Проба пространственно и временно нагревается двумя периодически облучаемыми образцами с фазовым сдвигом π. Пунктирная линия представляет собой линию симметрии между обоими образцами. Эта линия будет использована для оценки как «линия истощения». ( Б ) Схема пространственного и временного разрешения переменного теплового результата, рассчитанная по аналитическому решению уравнения теплопроводности. Он показывает ответные тепловые волны на освещение (a) с облучением двух образцов с P _{opt 1} = 1,5 Вт sin (2π 0,125 Гц t ) + 1,5 Вт и P _{opt 2} = 1,5 Вт sin (2π 0,125 Гц t + Π) + 1,5 Вт для конструкционной стали ρ </Em> = 7850 кг / м ³ , c _p = 461 Дж / (кг · К), k = 54 Вт / (м · K). Температурный профиль на пунктирной линии не показывает тепловых колебаний для однородного изотропного материала. Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 2: Схема принципа измерения структурированного нагрева, используемого в активной термографии. Гауссов пучок, гомогенизированный в профиль верхней шляпы, применяется к пространственному модулю света (SLM). SLM разрешает пространственный пучок его переключаемыми элементами и во времени по скорости переключения. Каждый элемент представляет собой пиксель SLM. В этом эксперименте SLM представляет собой цифровое микрозеркальное устройство (DMD). Модулируя яркость пикселя A с помощью детерминированного по времени управляющего программного обеспечения, поверхность образцаНагревается структурированным способом. В представленном эксперименте мы модулируем две антифазные линии (фазы: φ = 0, π), которые являются источником когерентно интерферирующих тепловых полей на угловой частоте ω. Волновые поля взаимодействуют с внутренней структурой образца, также влияя на температурное поле на поверхности. Это измеряется с помощью теплового излучения средней инфракрасной камеры. Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Protocol

ПРИМЕЧАНИЕ. Внимание: Пожалуйста, обратите внимание на безопасность лазера, потому что в установке используется лазер класса 4. Пожалуйста, надевайте защитные очки и одежду. Также обращайтесь с пилотным лазером с осторожностью. 1. Соедините диодный лазер с комплектом для разработки ?…

Representative Results

В соответствии с протоколом для получения репрезентативных результатов была выбрана сторона 1 образца стали с дефектом подповерхностного слоя на глубине 0,25 мм. Дефект первоначально располагался приблизительно в центре освещенной области. Затем образец перемещали о…

Discussion

Представленный протокол описывает, как обнаружить искусственные подповерхностные дефекты, ориентированные перпендикулярно поверхности. Основная идея метода – создание интерферирующих тепловых волновых полей, взаимодействующих с дефектом подповерхностного слоя. Наиболее важными ш…

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