Summary

Localisation de défauts souterrains par chauffage structuré à l'aide d'une thermographie photothermique à laser

Published: May 15, 2017
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Summary

Cette méthode vise à localiser des défauts de sous-surface verticaux. Ici, nous couplons un laser avec un modulateur de lumière spatiale et déclenchons son entrée vidéo pour chauffer une surface d'échantillon de manière déterministe avec deux lignes modulées anti-phases lors de l'acquisition d'images thermiques hautement résolues. La position des défauts est extraite de l'évaluation des minimums d'interférence des ondes thermiques.

Abstract

La méthode présentée est utilisée pour localiser des défauts de sous-sol orientés perpendiculairement à la surface. Pour ce faire, nous créons des champs d'onde thermique perturbateurs de manière destructive qui sont perturbés par le défaut. Cet effet est mesuré et utilisé pour localiser le défaut. Nous formons les champs d'ondes parasites destructeurs en utilisant un projecteur modifié. Le moteur léger d'origine du projecteur est remplacé par un laser à diode à haute puissance couplé à la fibre optique. Son faisceau est façonné et aligné sur le modulateur de lumière spatiale du projecteur et optimisé pour un débit optique optimal et une projection homogène en caractérisant d'abord le profil du faisceau et, d'autre part, en le corrigant mécaniquement et numériquement. Une caméra infrarouge à haute performance (IR) est configurée selon la situation géométrique étroite (y compris les corrections des distorsions d'image géométriques) et l'exigence de détecter des oscillations de température faibles à la surface de l'échantillon. L'acquisition de données peut être effectuée une fois par synchronisationLa ronisation entre les sources de champs d'ondes thermiques individuelles, le stade de balayage et la caméra IR est établie en utilisant une configuration expérimentale dédiée qui doit être accordée sur le matériel spécifique étudié. Au cours du post-traitement des données, les informations pertinentes sur la présence d'un défaut sous la surface de l'échantillon sont extraites. Il est récupéré à partir de la partie oscillante du rayonnement thermique acquis provenant de la ligne dite d'appauvrissement de la surface de l'échantillon. L'emplacement exact du défaut est déduit de l'analyse de la forme spatio-temporelle de ces oscillations dans une étape finale. La méthode est sans référence et très sensible aux changements dans le champ d'ondes thermiques. Jusqu'à présent, la méthode a été testée avec des échantillons d'acier, mais s'applique également à différents matériaux, en particulier aux matériaux sensibles à la température.

Introduction

La méthode de thermographie photothermique projetée au laser (LPPT) est utilisée pour localiser les défauts de sous-sol qui sont intégrés dans le volume de l'éprouvette et orientés essentiellement perpendiculairement à sa surface.

La méthode utilise l'interférence destructrice de deux champs d'ondes thermiques anti-phases du même allongement et de la même fréquence que celui illustré à la Figure 1b . Dans les matériaux isotropes exempts de défauts, les ondes thermiques neutralisent de manière destructive ( c'est-à-dire une oscillation de température nulle) au niveau du plan de symétrie par une superposition cohérente. Dans le cas d'un matériau présentant un défaut subsurface, la méthode profite de l'interaction des composants latéraux ( c'est- à- dire du plan) entre le flux de chaleur transitoire et ce défaut. Cette interaction peut être mesurée dans un allongement de la température oscillante recréé à la ligne de symétrie sur la surface de l'échantillon. Maintenant, l'échantillon contenant un défaut est balayé par le champ d'ondes thermiques superposées etLe niveau d'allongement de la température est mesuré par rapport à la position de l'échantillon. En raison de la symétrie, la condition d'interférence destructrice est encore satisfaite lorsque le défaut traverse le plan de symétrie; Cela nous permet de localiser le défaut de manière très délicate. De plus, comme le niveau de perturbation maximale de l'interférence destructrice est en corrélation avec la profondeur du défaut, il est possible de déterminer sa profondeur en analysant le balayage de température 1 .

Le LPPT peut être affecté à la méthodologie de thermographie active, une méthode non-destructive bien établie, où le chauffage transitoire est activement généré et la distribution de température, ainsi que la transitoire, est mesurée via une caméra IR thermique. En général, la sensibilité de cette méthodologie est limitée aux défauts orientés essentiellement perpendiculairement au flux de chaleur transitoire. De plus, comme l'équation de conduction de chaleur transitoire est un paramètre partiel paraboliqueL'équation interne, le flux de chaleur dans le volume est fortement amorti. En conséquence, la profondeur de sondage de la méthodologie de la thermographie active est limitée à une région proche de la surface, généralement dans la gamme millimétrique. Deux des techniques de thermographie active les plus courantes sont la thermographie à impulsions et à verrouillage. Ils sont rapides grâce à l'éclairage planaire de la surface optique 2 , mais conduisent à un flux de chaleur transitoire perpendiculaire à la surface. Par conséquent, la sensibilité de ces techniques est limitée à des défauts parallèles ( par ex. Délamines ou vides) à la surface d'échantillon chauffée. Une règle empirique pour la thermographie pulsée stipule que «le rayon du plus petit défaut détectable doit être au moins une fois deux fois plus grand que sa profondeur sous la surface» 3 . Pour augmenter la zone d'interaction efficace entre un défaut orienté perpendiculairement ( par exemple une fissure) et le flux de chaleur, la direction du flux de chaleur doit êtremodifié. L'excitation locale, en utilisant un laser focalisé avec un point linéaire ou circulaire, par exemple, génère un flux de chaleur avec un composant plan qui peut interagir efficacement avec le défaut perpendiculaire 4 , 5 , 6 , 7 .

Dans la méthode présentée, nous utilisons également les composants de flux de chaleur latérale pour détecter les défauts de subsurface, mais nous utilisons le fait que les ondes thermiques peuvent être superposées, alors que les défauts, en particulier les orientés verticalement, perturbent cette superposition. De cette façon, la méthode présentée ressemble à une méthode sans référence, symétrique et très sensible, car il est possible de détecter des défauts de sous-surface artificielle à un rapport largeur / profondeur très inférieur à un 8 , 9 . Jusqu'à présent, il était difficile de créer deux champs d'ondes thermiques anti-phases alimentant suffisamment d'énergie. Nous avons réalisé ce bY couplant un modulateur de lumière spatiale (SLM) à un laser à diode haute puissance, ce qui nous a permis de fusionner la haute puissance optique du système laser avec la résolution spatiale et temporelle du SLM (voir Figure 2 ) dans un projecteur haute puissance . Les champs d'ondes thermiques sont maintenant créés par conversion photothermique de deux modèles de lignes modulés en forme sinusoïdale anti-phases par la luminosité des pixels de l'image projetée (voir Figure 2 , Figure 1a ). Cela conduit à un chauffage structuré de la surface de l'échantillon et aboutit à des champs d'ondes thermiques perturbant de manière destructrice bien définie. Afin de trouver un défaut de subsurface, la perturbation de l'inférence destructive est mesurée comme une oscillation de température à la surface à l'aide d'une caméra infrarouge.

Le terme «onde thermique» est controversé parce que les ondes thermiques ne transportent pas d'énergie en raison du caractère diffusif de la propagation de la chaleur. Pourtant, il y a un comportement ondulatoire quand il est Périodiquement, nous permettant d'utiliser les similitudes entre les ondes réelles et les processus de diffusion 10 , 11 , 12 . Ainsi, une onde thermique peut être comprise comme fortement amortie dans le sens de propagation mais périodiquement dans le temps ( Figure 1b ). La longueur de diffusion thermique caractéristique L'équation 1 Est décrit par ses propriétés matérielles (conductivité thermique k , capacité calorifique c p et densité ρ ), et la fréquence d'excitation ƒ. Bien que la vague thermique se détériore fortement, sa nature ondulatoire peut être appliquée pour mieux comprendre les propriétés de l'échantillon. La première application de l'interférence des ondes thermiques a été utilisée pour déterminer l'épaisseur des couches. Contrairement à notre méthode, l'effet d'interférence a été utilisé dans la dimension de profondeur ( c'est-à-dire perpendiculaire à la surface) Ref "> 13. En étendant l'idée d'interférence à une deuxième dimension en divisant un faisceau laser, une interférence thermique a été utilisée pour dimensionner les défauts subsurface 14. Cette méthode a toujours été appliquée dans la configuration de transmission, ce qui signifie qu'elle était limitée par la pénétration En outre, comme seule une source laser a été utilisée, cette méthode applique une interférence constructive, ce qui signifie qu'une référence sans défaut est nécessaire. Outre l'idée d'utiliser des interférences thermiques, la première approche technique à l'échelle spatiale et Le chauffage à réglage temporel a été réalisé par Holtmann et al. En utilisant un projecteur à cristaux liquides non modifié (LCD) avec la source de lumière intégrée, qui était sévèrement limitée dans sa puissance de sortie optique 15. D'autres approches de Pribe et Ravichandran visant à augmenter l'optique Puissance de sortie en couplant également un laser à un SLM 16 , S = "xref"> 17.

Le protocole présenté ici décrit comment appliquer la méthode LPPT pour localiser des défauts de sous-sol orientés perpendiculairement à la surface des échantillons d'acier. La méthode est à un stade précoce, mais assez puissante pour valider l'approche proposée; Cependant, il est encore limité en termes de puissance de sortie optique possible de la configuration expérimentale. Étant donné que l'augmentation de la puissance de sortie optique reste un défi, la méthode présentée est appliquée à l'acier revêtu contenant des encoches mécaniques artificielles déchargées électriquement. Néanmoins, les étapes les plus importantes et les plus critiques du protocole, générant un éclairage structuré homogène, répondant aux conditions préalables à l'interférence des ondes thermales destructrices, et à la localisation du défaut, contiennent toujours des défauts plus exigeants. Puisque la quantité de gouvernance est la longueur de diffusion thermique μ, la méthode LPPT peut également être appliquée à de nombreux matériaux différents.

Nt "> Figure 1
Figure 1: Principe de l'effet de brouillage destructeur. (A) Schéma du motif d'illumination utilisé lors des expériences. L'échantillon est chauffé spatialement et temporellement par deux motifs éclairés périodiquement avec un décalage de phase de π. La ligne pointillée représente la ligne de symétrie entre les deux modèles. Cette ligne sera utilisée pour l'évaluation en tant que «ligne d'épuisement». ( B ) Diagramme du résultat thermique alternatif spatialement et temporellement résolu, calculé à partir de la solution analytique de l'équation de conduction de chaleur thermique. Il montre les ondes thermiques répondantes à l'illumination de (a) avec une irradiance des deux motifs avec P opt 1 = 1,5 W sin (2π 0,125 Hz t ) + 1,5 W et P opt 2 = 1,5 W sin (2π 0,125 Hz t + Π) + 1,5 W pour l'acier de construction ρ </Em> = 7 850 kg / m 3 , c p = 461 J / (kg · K), k = 54 W / (m · K). Le profil de température à la ligne pointillée ne montre aucune oscillation thermique pour des matériaux isotropes homogènes. Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2
Figure 2: Schéma du principe de mesure du chauffage structuré utilisé dans la thermographie active. Un faisceau gaussien homogénéisé à un profil de chapeau est appliqué à un modulateur de lumière spatiale (SLM). Le SLM résout le faisceau spatialement par ses éléments commutables et temporellement par sa vitesse de commutation. Chaque élément représente un pixel SLM. Dans cette expérience, le SLM est un dispositif de micro-miroir numérique (DMD). En modulant la luminosité des pixels A avec un logiciel de contrôle déterministe du temps, la surface d'échantillonEst chauffé de manière structurée. Dans le cas de l'expérience présentée, nous modulons deux lignes anti-phases (phases: φ = 0, π), qui sont l'origine de champs d'ondes thermiques interférentes cohérentes à la fréquence angulaire ω. Les champs d'onde interagissent avec la structure interne de l'échantillon influençant également le champ de température à la surface. Ceci est mesuré par son rayonnement thermique par une caméra infrarouge à ondes mi-ondes. Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Protocol

REMARQUE: Attention: faites attention à la sécurité laser car la configuration utilise un laser de classe 4. Portez les lunettes de protection et les vêtements appropriés. De plus, manipulez le laser pilote avec précaution. 1. Associez le Laser Diode au Kit de Développement de Projecteur (PDK) Préparer la planche à pain. Préassemblez tous les appareils sur la platane comme indiqué sur la Figure 3 . Placez la platane avec tous les appareils préasse…

Representative Results

Après le protocole, le côté 1 de l'échantillon d'acier avec un défaut de subsurface à une profondeur de 0,25 mm a été choisi pour générer des résultats représentatifs. Le défaut a été initialement positionné approximativement au centre de la zone éclairée. L'échantillon a ensuite été déplacé de -5 mm à 5 mm par l'étape linéaire à une vitesse de 0,05 mm / s. En utilisant ces paramètres, la figure 11a montre les données de balay…

Discussion

Le protocole présenté décrit comment localiser des défauts de sous-surface artificiels orientés perpendiculairement à la surface. L'idée principale de la méthode est de créer des champs d'ondes thermiques interférentes qui interagissent avec le défaut subsurface. Les étapes les plus importantes sont (i) combiner un SLM avec un laser à diode afin de créer deux modèles d'éclairage alternatifs à haute puissance à la surface de l'échantillon; Ces modèles sont transformés par voie phototh…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Nous tenons à remercier Taarna Studemund et Hagen Wendler pour avoir pris des photos de la configuration expérimentale ainsi que leur préparation pour la publication de la figure. En outre, nous tenons à remercier Anne Hildebrandt pour la préparation des échantillons et Sreedhar Unnikrishnakurup, Alexander Battig et Felix Fritzsche pour la lecture des épreuves.

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

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Cite This Article
Thiel, E., Ziegler, M. Subsurface Defect Localization by Structured Heating Using Laser Projected Photothermal Thermography. J. Vis. Exp. (123), e55733, doi:10.3791/55733 (2017).

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