توطين العيوب تحت السطح عن طريق التدفئة المنظمة باستخدام الليزر الحرارية الحرارية المتوقعة
Summary
وتهدف هذه الطريقة إلى تحديد العيوب العمودية تحت السطحية. هنا، ونحن زوجين ليزر مع المغير الضوء المكاني وتحريك مدخلات الفيديو لتسخين سطح العينة حتما مع اثنين من خطوط على مراحل مضادة على مراحل في حين الحصول على الصور الحرارية حلها للغاية. ويتم استرجاع موضع الخلل من تقييم الحد الأدنى لتداخل الموجة الحرارية.
Abstract
يتم استخدام طريقة عرض لتحديد العيوب تحت السطحية موجهة عموديا على السطح. ولتحقيق ذلك، نقوم بإنشاء حقول موجات حرارية تتدخل بشكل مدمر تتخللها العيب. ويقاس هذا التأثير ويستخدم لتحديد موقع العيب. نحن تشكيل حقول الموجة تدميرا مدمرة باستخدام جهاز عرض معدل. يتم استبدال محرك الضوء الأصلي من جهاز العرض مع ليزر الصمام الثنائي ديود عالية الطاقة. يتم تشكيل شعاعها ومحاذاة إلى المغير الضوء المكاني للجهاز والأمثل للحصول على الإنتاجية البصرية الأمثل والإسقاط متجانس من خلال توصيف أول الشخصية شعاع، وثانيا، وتصحيحه ميكانيكيا وعدديا. يتم تعيين كاميرا الأشعة تحت الحمراء عالية الأداء (إر) وفقا لحالة هندسية ضيقة (بما في ذلك التصحيحات من تشوهات الصورة الهندسية) ومتطلبات الكشف عن التذبذبات درجة الحرارة الضعيفة على سطح العينة. الحصول على البيانات لا يمكن أن يؤديها مرة واحدة في المزامنةيتم إنشاء الاستقطاب بين مصادر حقل الموجة الحرارية الفردية، ومرحلة المسح الضوئي، وكاميرا الأشعة تحت الحمراء باستخدام إعداد تجريبي مخصص يحتاج إلى ضبطه للمواد المحددة التي يجري التحقيق فيها. خلال مرحلة ما بعد المعالجة، يتم استخراج المعلومات ذات الصلة عن وجود خلل تحت سطح العينة. يتم استرجاعها من الجزء المتأرجح من الإشعاع الحراري المكتسب القادم من ما يسمى خط استنفاد سطح العينة. ويستنتج الموقع الدقيق للخلل من تحليل الشكل المكاني والزماني لهذه التذبذبات في خطوة نهائية. الطريقة خالية من الإشارة وحساسة جدا للتغيرات داخل مجال الموجة الحرارية. حتى الآن، وقد تم اختبار هذه الطريقة مع عينات من الصلب ولكن ينطبق على مواد مختلفة أيضا، لا سيما المواد الحساسة للحرارة.
Introduction
يتم استخدام طريقة الحرارة الحرارية الضوئية المتوقعة (لبت) لتحديد العيوب تحت السطحية التي تكون جزءا لا يتجزأ من حجم عينة الاختبار والموجهة في الغالب عمودي على سطحه.
وتستخدم الطريقة التداخل المدمر لحقلين من الموجات الحرارية المضادة للمراحل على نفس الاستطالة والتردد كما هو مبين في الشكل 1 ب . في المواد الخالية من عيب الخواص، والموجات الحرارية تحييد مدمرة ( أي صفر درجة الحرارة التذبذب) على مستوى التماثل من خلال تراكب متماسكة. وفي حالة وجود مادة ذات عيب تحت السطح، تستفيد الطريقة من تفاعل المكونات الجانبية ( أي داخل الطائرة) بين تدفق الحرارة العابرة وهذا العيب. ويمكن قياس هذا التفاعل في استطالة درجة الحرارة تتأرجح إعادة تشكيلها في خط التماثل على سطح العينة. الآن، يتم مسح العينة التي تحتوي على عيب بواسطة حقل الموجة الحرارية متراكبة ويتم قياس مستوى استطالة درجة الحرارة فيما يتعلق بموقف العينة. ونظرا للتناظر، تستوفي حالة التداخل المدمرة مرة أخرى عندما يعبر العيب طائرة التماثل؛ وهذا يتيح لنا لتحديد موقع عيب جدا بحساسية. وعلاوة على ذلك، وبما أن مستوى الاضطراب الأقصى للتداخل المدمر يرتبط بعمق العيب، فمن الممكن تحديد عمقه من خلال تحليل مسح درجة الحرارة 1 .
يمكن أن يتم تعيين لبت لمنهجية الحرارة الحرارية، وهي طريقة راسخة غير المدمرة، حيث يتم توليد التدفئة عابرة بنشاط ويتم قياس، وكذلك عابرة، توزيع درجة الحرارة عن طريق كاميرا الأشعة تحت الحمراء الحرارية. بشكل عام، حساسية هذه المنهجية تقتصر على العيوب التي تتجه أساسا عمودي على تدفق الحرارة العابرة. وعلاوة على ذلك، لأن المعادلة الحاكمة التوصيل الحرارة عابرة هو متقطع جزئية مكافئنتيال المعادلة، وتدفق الحرارة إلى حجم هو قوي معطوب. ونتيجة لذلك، يقتصر عمق التحقيق للمنهج الحراري الحراري على منطقة قريبة من السطح، وعادة في نطاق ملليمتر. اثنان من تقنيات التصوير الحراري النشط الأكثر شيوعا هي نبض والحرارة في الحرارة. فهي سريعة بسبب مستو إضاءة سطح بصري 2 ، ولكن يؤدي إلى تدفق الحرارة عابرة عمودي على السطح. ولذلك، فإن حساسية هذه التقنيات تقتصر على العيوب الموازية الموجهة في الغالب (على سبيل المثال الامتلاء أو الفراغات) إلى سطح العينة ساخنة. وتنص قاعدة تجريبية للحرارة الحرارية النبضية على أن "نصف قطر أصغر عيب قابل للكشف ينبغي أن يكون على الأقل من مرة إلى مرتين أكبر من عمقه تحت السطح" 3 . لزيادة منطقة التفاعل الفعال بين عيب موجه عموديا ( مثل الكراك) والتدفق الحراري، يجب أن يكون اتجاه التدفق الحراريتغير. الإثارة المحلية، باستخدام ليزر مركز مع بقعة خطية أو دائرية على سبيل المثال، يولد تدفق الحرارة مع عنصر في الطائرة التي هي قادرة على التفاعل بشكل فعال مع عمودي عمودي 4 ، 5 ، 6 ، 7 .
في الطريقة المعروضة، ونحن أيضا استخدام مكونات تدفق الحرارة الجانبية للكشف عن العيوب تحت السطحية، ولكننا نستخدم حقيقة أن الموجات الحرارية يمكن أن تكون متراكبة، في حين أن العيوب، وخاصة منها عموديا، يزعج هذا التراكب. وبهذه الطريقة، فإن الطريقة المعروضة تشبه طريقة خالية من الإشارة، متماثلة وحساسة جدا، حيث أنه من الممكن اكتشاف عيوب تحت سطحية اصطناعية بمعدل عرض / عمق أقل بكثير من 8 ، 9 . حتى الآن، كان من الصعب إنشاء اثنين من مراحل على مراحل موجة الحرارية توفير الطاقة الكافية. حققنا هذا ب(سم) إلى ليزر ديود عالي الطاقة، مما مكننا من دمج الطاقة الضوئية العالية لنظام الليزر مع القرار المكاني والزماني ل سلم (انظر الشكل 2 ) إلى جهاز عرض عالي الطاقة . يتم إنشاء حقول الموجة الحرارية الآن عن طريق تحويل فوتوثرمال اثنين من أنماط خط تشكيلها الجيبية المضادة على مراحل من خلال سطوع بكسل من الصورة المعروضة (انظر الشكل 2 ، الشكل 1A ). وهذا يؤدي إلى تسخين منظم لسطح العينة ويؤدي إلى حقول مداخلة حرارية مدمرة بشكل جيد. من أجل العثور على عيب تحت السطح، ويقاس اضطراب الاستدلال المدمرة كما تذبذب درجة الحرارة على السطح باستخدام كاميرا الأشعة تحت الحمراء.
أما مصطلح الموجة الحرارية، فقد نوقش على نحو مثير للجدل لأن الموجات الحرارية لا تنقل الطاقة بسبب الطابع المنتشر للانتشار الحراري. ومع ذلك، هناك سلوك مثل موجة عندما هي تينغ بشكل دوري، مما يسمح لنا باستخدام أوجه التشابه بين موجات حقيقية وعمليات الانتشار 10 ، 11 ، 12 . وهكذا، يمكن فهم موجة حرارية على أنها شديدة الانهيار في اتجاه الانتشار ولكن دورية مع مرور الوقت ( الشكل 1B ). طول الانتشار الحراري المميز 
يتم وصفها من خلال خصائصها المادية (التوصيل الحراري k ، قدرة الحرارة ج ص وكثافة ρ )، وتيرة الإثارة ƒ. على الرغم من أن الموجة الحرارية تتحلل بقوة، ويمكن تطبيق طبيعتها موجة للحصول على نظرة ثاقبة خصائص العينة. وقد استخدم أول تطبيق لتداخل الموجة الحرارية لتحديد سماكة الطبقات. وعلى النقيض من أسلوبنا، استخدم تأثير التداخل في بعد العمق ( أي عمودي على السطح) ريف "> 13. توسيع فكرة التداخل إلى بعد ثان من خلال تقسيم شعاع ليزر، تم استخدام تداخل الموجة الحرارى لحجم العيوب تحت السطح 14. ومع ذلك تم تطبيق هذه الطريقة في تكوين الإرسال، وهو ما يعني أنه كان محدودا بسبب الاختراق وعمق الموجة الحرارية.وعلاوة على ذلك، ونظرا لأن مصدر ليزر واحد فقط قد استخدم، فإن هذه الطريقة تطبق تداخلات بناءة، مما يعني ضرورة وجود إشارة خالية من العيوب.وبصرف النظر عن فكرة استخدام التداخل بالموجات الحرارية، تم تنفيذ التدفئة التي تسيطر عليها زمنيا من قبل هولتمان وآخرون باستخدام شاشة عرض الكريستال السائل (لد) غير معدلة مع مصدر الضوء المدمج في، والتي كانت محدودة للغاية في انتاج الطاقة الضوئية 15. مزيد من النهج من قبل بريب و رافيتشاندران تهدف إلى زيادة البصرية انتاج الطاقة عن طريق اقتران أيضا ليزر إلى حركة تحرير السودان 16 ، s = "كريف"> 17.
بروتوكول المعروضة هنا يصف كيفية تطبيق طريقة لبت لتحديد العيوب تحت السطحية موجهة عموديا على سطح عينات من الصلب. وهذه الطريقة في مرحلة مبكرة، لكنها قوية بما يكفي للتحقق من صحة النهج المقترح؛ ومع ذلك، فإنه لا يزال محدودا من حيث قوة الانتاج البصرية للتحقيق من الإعداد التجريبي. وبما أن زيادة الطاقة الانتاجية البصرية لا تزال تحديا، يتم تطبيق طريقة عرضت على الصلب المطلي يحتوي على تصريف كهربائيا الشقوق كهربائيا تشكيله. ومع ذلك، فإن أهم وأهم الخطوات للبروتوكول، وتوليد إضاءة منظمة متجانسة، وتلبية الشروط المسبقة لتدخل الموجة الحرارية المدمرة، وتحديد مكان العيب، لا تزال تعقد لمزيد من العيوب تطلبا كذلك. وبما أن الكميات الحاكمة هي طول الانتشار الحراري μ، يمكن تطبيق طريقة لبت على العديد من المواد المختلفة أيضا.
الإقليم الشمالي ">
الشكل 1: مبدأ تأثير التداخل المدمر. ( أ ) تخطيطي لنمط الإضاءة المستخدم أثناء التجارب. العينة تسخن مكانيا وزمانيا من قبل اثنين من أنماط مضيئة دوريا مع تحول المرحلة من π. ويمثل الخط المتقطع خط التماثل بين كلا النمطين. وسوف يستخدم هذا الخط للتقييم باعتباره "خط استنزاف". ( ب ) رسم بياني للتناوب الحلقي بالتناوب المكاني والزمني على النحو المحسوب من الحل التحليلي لمعادلة التوصيل الحراري الحراري. ويظهر الموجات الحرارية المستجيبة لإضاءة (أ) مع إشعاعي للنمطين مع P = 1 = 1.5 W الخطيئة (2π 0.125 هرتز ر ) + 1.5 W و P اختيار 2 = 1.5 W الخطيئة (2π 0.125 هرتز t + π) + 1.5 واط للصلب الإنشائي ρ </إم> = 7،850 كغ / m 3 ، c p = 461 J / (كغ · K)، k = 54 W / (m · K). لا يظهر المظهر الجانبي لدرجة الحرارة عند الخط المتقطع أي تذبذب حراري للمواد المتجانسة المتناحية. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: تخطيطي لمبدأ القياس من التدفئة منظم المستخدمة في الحرارة الحرارية. يتم تطبيق شعاع غاوس متجانس إلى ملف تعريف قبعة قبعة إلى مغير الضوء المكاني (سلم). وتقوم حركة سلم بحل الشعاع مكانيا من خلال عناصر قابلة للتحويل وزمن سرعة التحول. يمثل كل عنصر بكسل سلم. في هذه التجربة، و سلم هو جهاز مرآة صغيرة الرقمية (دمد). عن طريق تحوير سطوع بكسل A مع برنامج التحكم حتمية الوقت، سطح العينةيتم تسخينها بطريقة منظمة. في حالة التجربة المقدمة، نقوم بتعديل خطين مضادين للطور (مراحل: φ = 0، π)، وهما أصلان يتداخلان بشكل متناغم مع حقول الموجة الحرارية عند التردد الزاوي ω. تتفاعل حقول الموجة مع البنية الداخلية للعينة مما يؤثر أيضا على مجال درجة الحرارة على السطح. يتم قياس هذا عن طريق الإشعاع الحراري بواسطة كاميرا الأشعة تحت الحمراء منتصف الموجة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
Protocol
Representative Results
Discussion
يصف بروتوكول المقدمة كيفية تحديد العيوب تحت السطح الاصطناعي الموجهة عمودي على السطح. والفكرة الرئيسية من هذه الطريقة هي خلق حقول الموجة الحرارية المتداخلة التي تتفاعل مع عيب تحت السطح. أهم الخطوات هي (1) الجمع بين حركة تحرير السودان مع ليزر الصمام الثنائي من أجل إنشا?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نود أن نشكر تارنا ستوديموند وهاجن ويندلر لالتقاط صور من الإعداد التجريبي وكذلك إعدادها لنشر الرقم. وعلاوة على ذلك، نود أن نشكر آن هيلدبراندت لإعداد العينة و سريدهار أونكريشناكوروب، ألكسندر باتيغ وفليكس فريتسش من أجل القراءة.
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 |
References
- 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).
