Subsurface Defect Localisatie door Gestructureerde Verwarming Met Laser Geprojecteerde Phot Thermische Thermografie

De laserprojecteerde fototermische thermografie (LPPT) methode wordt gebruikt om ondergrondse defecten te lokaliseren die in het volume van het testmonster zijn ingebed en overwegend loodrecht op het oppervlak zijn georiënteerd.

De werkwijze gebruikt de destructieve interferentie van twee anti-gefaseerde thermische golfvelden met dezelfde verlenging en frequentie zoals getoond in Figuur 1b . Bij isotrope defectvrije materialen neutraliseren de thermische golven destructief ( dwz nul temperatuur oscillatie) op het symmetrische vlak door coherente superpositie. Bij een materiaal met een ondergrondse afwijking maakt de methode gebruik van de interactie van de laterale componenten ( dwz in het vliegtuig) tussen de transiënte warmtestroom en dit defect. Deze interactie kan worden gemeten in een herschikte oscillerende temperatuurverlenging bij de symmetrie lijn op het monsteroppervlak. Nu wordt het defect bevattende monster gescand door het overgelegde thermische golfveld enHet niveau van de temperatuurverlenging wordt gemeten in relatie tot de steekproefpositie. Vanwege de symmetrie wordt de destructieve interferentie voorwaarde nog eens voldaan wanneer het defect het symmetrievlak overschrijdt; Dit stelt ons in staat het defect zeer gevoelig te lokaliseren. Aangezien het niveau van maximale storing van de destructieve storing correleert met de diepte van het defect, is het mogelijk om de diepte ervan te bepalen door de temperatuurscanning ^{1 te} analyseren.

De LPPT kan worden toegewezen aan de actieve thermografie-methode, een gevestigde niet-destructieve methode, waarbij transiente verwarming actief wordt gegenereerd en de resulterende, ook voorbijgaande, temperatuurverdeling wordt gemeten via een thermische IR-camera. In het algemeen is de gevoeligheid van deze methodiek beperkt tot defecten die in hoofdzaak loodrecht op de transiënte warmtestroom zijn georiënteerd. Bovendien, aangezien de regulerende transiente warmtegeleidingvergelijking een parabolische partiële differe isNtial equation, de warmtestroom in het volume is sterk gedempt. Als gevolg hiervan is de proefdiepte van de actieve thermografie-methode beperkt tot een nabijgelegen gebied, meestal in het millimeterbereik. Twee van de meest gangbare actieve thermografie technieken zijn gepulseerd en lock-in thermografie. Ze zijn snel te wijten aan platte optische oppervlakverlichting ² , maar leiden tot een transiënte warmtestroom loodrecht op het oppervlak. Daarom is de gevoeligheid van deze technieken beperkt tot defecten die overwegend parallel gericht zijn ( bijv. Delaminaties of vochtigheid) aan het verwarmde monsteroppervlak. Een empirische regel voor gepulseerde thermografie stelt dat "de straal van het kleinste detecteerbare defect minimaal een tot twee keer groter is dan de diepte onder het oppervlak" ³ . Om het effectieve interactiegebied te verhogen tussen een loodrecht georiënteerd defect ( bijv. Een kraak) en de warmtestroom, moet de richting van de warmtestroom zijnveranderd. Lokale excitatie, bijvoorbeeld door een gefocusseerde laser met een lineaire of cirkelvormige plek te gebruiken, genereert een warmtestroom met een in-vliegtuigcomponent die effectief kan interageren met het loodrecht defect ^{4 , 5 , 6 , 7} .

In de gepresenteerde methode gebruiken we ook de zijdelingse warmtestroomcomponenten om ondergrondseffecten te detecteren, maar we gebruiken het feit dat thermische golven overbelast kunnen worden, terwijl defecten, vooral verticaal georiënteerde, deze superpositie verstoren. Op deze manier lijkt de gepresenteerde werkwijze op een referentievrije, symmetrische en zeer gevoelige methode, omdat het mogelijk is om kunstmatige ondergrondseffecten op een breedte / diepteverhouding van ver onder de ^{8 , 9} te detecteren. Tot nu toe was het moeilijk om twee anti-gefaseerde thermische golfvelden te creëren die voldoende energie leveren. We hebben deze b bereiktY een ruimtelijke lichtmodulator (SLM) koppelen aan een high-power diode laser, waardoor we de hoge optische kracht van het lasersysteem kunnen combineren met de ruimtelijke en temporale resolutie van de SLM (zie figuur 2 ) in een high-power projector . De thermische golfvelden worden nu gecreëerd door fotothermische omzetting van twee anti-gefaseerde sinusvormige modulerende lijnpatronen via de pixelhelderheid van het geprojecteerde beeld (zie figuur 2 , figuur 1a ). Dit leidt tot gestructureerde verhitting van het monsteroppervlak en resulteert in goed gedefinieerde destructieve interfererende thermische golfvelden. Om een ​​ondergrond defect te vinden, wordt de storing van de destructieve inferentie gemeten als een temperatuuroscillatie op het oppervlak met behulp van een IR-camera.

De term thermische golf wordt omstrede besproken omdat thermische golven geen energie vervoeren door het diffusieve karakter van de warmtevermeerdering. Toch is er golfachtig gedrag als hij Ting periodiek, waardoor we overeenkomsten kunnen maken tussen echte golven en diffusieprocessen ^{10 , 11 , 12} . Zo kan een thermische golf worden begrepen als zeer gedempt in de voortplantingsrichting, maar periodiek over de tijd ( Figuur 1b ). De karakteristieke thermische diffusie lengte Wordt hierbij beschreven door zijn materiële eigenschappen (thermische geleidbaarheid k , warmtecapaciteit cp en dichtheid ρ ) en de excitatiefrequentie ƒ. Hoewel de thermische golf sterk afvalt, kan de golf natuur aangewend worden om inzicht te krijgen in de eigenschappen van het monster. De eerste toepassing van thermische golfinterferentie werd gebruikt om de dikte van lagen te bepalen. In tegenstelling tot onze methode werd het interferentie effect gebruikt in de diepteafmeting ( dwz loodrecht op het oppervlak) Ref "> 13. Het uitbreiden van het idee van interferentie met een tweede dimensie door het splitsen van een laserstraal, thermische golfinterferentie werd gebruikt om ondergrondse defecten ¹⁴ te grootte. Deze methode werd nog steeds in de transmissieconfiguratie toegepast, wat betekent dat het door de penetratie werd beperkt Diepte van de thermische golf. Bovendien, omdat er slechts één laserbron is gebruikt, is deze methode van toepassing op constructieve interferentie, wat betekent dat een defectvrije referentie nodig is. Behalve het idee van thermische golfinterferentie, is de eerste technische aanpak van ruimtelijk en Tijdelijk gecontroleerde verwarming werd uitgevoerd door Holtmann et al. Door gebruik te maken van een niet-gemodificeerde LCD-projector met vloeibare kristal (LCD) met de ingebouwde lichtbron, die erg beperkt was in zijn optische uitgangsvermogen ^15. Verdere aanpak van Pribe en Ravichandran gericht op het vergroten van de optische Output vermogen door ook een laser aan een SLM ^{16 te} koppelen ^, S = "xref"> 17.

Het hier beschreven protocol beschrijft hoe u de LPPT-methode toepast om ondergrondseffecten te lokaliseren die loodrecht op het oppervlak van staalmonsters zijn gericht. De methode is in een vroeg stadium maar toch krachtig genoeg om de voorgestelde aanpak te valideren; Het is echter nog beperkt in termen van de haalbare optische uitgangsvermogen van de experimentele opstelling. Aangezien de toename van de optische uitgangsvermogen een uitdaging blijft, wordt de gepresenteerde werkwijze toegepast op gecoat staal dat kunstmatige elektrisch ontladingsbewerking bevat. Niettemin houden de belangrijkste en meest kritische stappen van het protocol, die een homogene gestructureerde verlichting genereren, de vereisten voor destructieve thermische golfinterferentie en het lokaliseren van het defect, nog steeds vast voor meer veeleisende gebreken. Aangezien de regulerende hoeveelheid de thermische diffusielengte μ is, kan de LPPT-methode ook op tal van verschillende materialen worden toegepast.

nt ">
Figuur 1: Principe van destructief interferentie effect. (A) Schematisch van het verlichtingspatroon dat tijdens experimenten werd gebruikt. Het monster wordt ruimtelijk en tijdelijk verhit door twee periodiek verlichte patronen met een faseverschuiving van π. De streeplijn vertegenwoordigt de symmetrie lijn tussen beide patronen. Deze lijn wordt gebruikt voor evaluatie als een "uitputting lijn". ( B ) Diagram van het ruimtelijk en tijdelijk opgelost afwisselend thermisch resultaat zoals berekend uit de analytische oplossing van de warmte-geleidingsvergelijking. Het geeft de reactie thermische golven aan de verlichting van (a) met een bestraling van de twee patronen met P _{opt 1} = 1,5 W sin (2π 0.125 Hz t ) + 1,5 W en P _{opt 2} = 1,5 W sin (2π 0.125 Hz t + Π) + 1,5 W voor bouwstaal ρ </Em> = 7,850 kg / m3, _cp = 461 J / (kg · K), k = 54 W / (m · K). Het temperatuurprofiel bij de stippellijn laat geen thermische oscillatie zien voor homogeen, isotropisch materiaal. Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2: Schematisch van het meetprincipe van gestructureerde verwarming gebruikt in actieve thermografie. Een Gaussische straal, gehomogeniseerd naar een tophoedprofiel, wordt toegepast op een ruimtelijke lichtmodulator (SLM). De SLM verwerpt de straal ruimtelijk door zijn omschakelbare elementen en tijdelijk door de schakelnelheid. Elk element vertegenwoordigt een SLM-pixel. In dit experiment is de SLM een digitaal microspiegelapparaat (DMD). Door de pixel helderheid A te moduleren met een tijd deterministische controle software, het monster oppervlakWordt op een gestructureerde manier verwarmd. Bij het gepresenteerde experiment moduleren we twee anti-gefaseerde lijnen (fasen: φ = 0, π), die de oorsprong hebben van coherente interfererende thermische golfvelden bij de hoekfrequentie ω. De golfvelden interageren met de binnenste structuur van het monster en beïnvloeden ook het temperatuurveld op het oppervlak. Dit wordt gemeten via zijn thermische straling door middel van een infrarood camera in het midden van de golf. Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.