לוקליזציה פגם תת קרקעי על ידי חימום מובנה באמצעות לייזר מוקרן Photothermal Thermography

הלייזר המוקרן לייזר תרמוגרפיה (LPPT) השיטה משמשת כדי לאתר פגמים מתחת לפני השטח, כי הם מוטבע בנפח של הדגימה הבדיקה מכוונת בעיקר בניצב על פני השטח שלה.

השיטה משתמשת בהפרעה הרסנית של שני שדות גל אנטי-שלבי תרמי של אותו התארכות ותדירות כפי שמוצג באיור 1b . בחומרים איזוטרופיים נטולי פגם, הגלים התרמיים מנטרלים באופן הרסני ( כלומר אפס תנודה) במישור הסימטריה על ידי סופרפוזיציה קוהרנטית. במקרה של חומר עם פגמים מתחת לפני השטח, השיטה מנצלת את האינטראקציה של המרכיבים לרוחב ( כלומר, בתוך המטוס) בין זרימת החום הארעית לבין פגם זה. אינטראקציה זו יכולה להימדד על התארכות הטמפרטורה נדנדה מחדש מחדש על קו הסימטריה על פני השטח המדגם. עכשיו, מדגם המכיל מדגם נסרק על ידי שדה גל תרמי superposed ורמת התארכות הטמפרטורה נמדדת ביחס למיקום המדגם. בשל סימטריה, מצב ההפרעה ההרסנית מתבצע שוב כאשר הפגם חוצה את המטוס הסימטרי; זה מאפשר לנו לאתר את הפגם מאוד רגיש. יתר על כן, מאז רמת הפרעה מקסימלית של הפרעה הרסנית בקורלציה עם עומק הפגם, ניתן לקבוע את עומקה על ידי ניתוח סריקה טמפרטורה ¹ .

את LPPT ניתן להקצות את המתודולוגיה תרמוגרפיה פעיל, מבוססת היטב שאינו הרסני שיטה, שבו חימום חולף נוצר באופן פעיל וכתוצאה מכך, גם חולף, חלוקת הטמפרטורה נמדדת באמצעות מצלמה תרמית אינפרא אדום. באופן כללי, הרגישות של מתודולוגיה זו מוגבלת לליקויים אשר מכוונים בעיקר בניצב לזרימת החום הארעית. יתר על כן, מאז המשולב חולף חולף חום הולכה הוא differe חלקית פרבוליותמשוואה ntial, את זרימת החום לתוך נפח הוא חזק damped. כתוצאה מכך, עומק בדיקה של מתודולוגיה תרמוגרפיה פעיל מוגבל לאזור קרוב לפני השטח, בדרך כלל בטווח מילימטר. שתי הטכניקות הנפוצות ביותר של תרמוגרפיה פעילה הן פענוח ו – lock-in thermography. הם מהירים בשל תאורה משטחית אופטית ² , אבל להוביל זרימת חום חולפת בניצב אל פני השטח. לכן, הרגישות של טכניקות אלה מוגבל ליקויים מקביל בכיוון מכוונת ( למשל delaminations או חללים) אל משטח המדגם מחומם. כלל אמפירי עבור תרמוגרפיה פעמונית קובע כי "רדיוס הפגם הקטן ביותר הניתן לזיהוי צריך להיות לפחות פי שניים עד לעומק שלו מתחת לפני השטח" ³ . כדי להגדיל את אזור האינטראקציה יעיל בין פגם בכיוון מכוונן ( למשל סדק) ואת זרימת החום, הכיוון של זרימת החום צריך להיותהשתנה. עירור מקומי, באמצעות לייזר ממוקד עם נקודה ליניארית או מעגלית למשל, מייצר זרימת חום עם רכיב בתוך המטוס כי הוא מסוגל לתקשר באופן יעיל עם פגם ניצב ^{4 , 5 , 6 , 7} .

בשיטה המוצגת, אנו משתמשים גם ברכיבי זרימת החום לרוחב כדי לאתר פגמים מתחת לפני השטח, אך אנו משתמשים בעובדה שניתן לגשר על גלי תרמה, בעוד שהליקויים, במיוחד אלו המכוונים אנכית, מפריעים לסופרפוזיציה זו. בדרך זו, השיטה המוצגת דומה לשיטה ללא התייחסות, סימטרי ורגיש מאוד, שכן ניתן לזהות פגמים תת קרקעיים מלאכותיים ביחס רוחב / עומק של הרבה מתחת ^{8 , 9} . עד כה, היה קשה ליצור שני שדות גל תרמי אנטי בשלבים המספקים אנרגיה מספקת. השגנו זאת בY צימוד של אפנון אור מרחבי (SLM) ללייזר דיודה בעל הספק גבוה, אשר איפשר לנו למזג את הכוח האופטי הגבוה של מערכת הלייזר עם רזולוציה מרחבית וזמנית של ה- SLM (ראה איור 2 ) למקרן בעל הספק גבוה . שדות גל תרמי נוצרים כעת על ידי המרה photothermal של שני דפוסי קו מודולציה anti-phase סינוס אופטי דרך בהירות פיקסל של התמונה המוקרנת (ראה איור 2 , איור 1 א ). זה מוביל חימום מובנה של משטח המדגם ותוצאות מוגדרים היטב להפריע שדות גל תרמי. כדי למצוא פגם מתחת לפני השטח, הפרעה של ההסקה הרסנית נמדדת כמו תנודה הטמפרטורה על פני השטח באמצעות מצלמת IR.

המונח גל תרמי, הוא שנוי במחלוקת כי גלים תרמיים לא להעביר אנרגיה בשל אופי מתפזר של התפשטות החום. ובכל זאת, יש התנהגות כמו גלים כאשר hea Ting מעת לעת, ומאפשר לנו להשתמש הדמיון בין גלים אמיתיים תהליכי דיפוזיה ^{10 , 11 , 12} . לפיכך, גל תרמי ניתן להבין כמו מאוד damped בכיוון התפשטות אבל תקופתיים לאורך זמן ( איור 1b ). אורך אופייני תרמי דיפוזיה מתואר בזאת על ידי תכונות החומר שלה (מוליכות תרמית k , קיבולת חום c _p וצפיפות ρ ), ואת תדירות עירור ƒ. למרות הגל התרמי הוא מתפורר מאוד, הטבע גל שלה יכול להיות מיושם כדי לקבל תובנה המאפיינים של המדגם. היישום הראשון של הפרעות גל תרמי שימש כדי לקבוע את עובי השכבות. בניגוד לשיטה שלנו, אפקט ההפרעה שימש בממד עומק ( כלומר בניצב אל פני השטח) Ref. "13. הרחבת הרעיון של הפרעה למימד השני על ידי פיצול קרן לייזר, הפרעה גל תרמי שימש גודל הפגמים מתחת לפני השטח ^14. עדיין שיטה זו יושמה בתצורת השידור, כלומר, זה היה מוגבל על ידי החדירה עומק של גל תרמי.יתר על כן, כי רק מקור לייזר אחד שימש, שיטה זו חלה הפרעה קונסטרוקטיבית, כלומר הפניה ללא התייחסות יש צורך.בנוסף לרעיון של שימוש הפרעות גל תרמי, הגישה הטכנית הראשונה מרחבית ו חימום מבוקר זמני בוצע על ידי הולטמן ואח ' באמצעות מקרן גביש נוזלי ללא שינוי (LCD) עם מקור האור המובנה, אשר היה מוגבל מאוד כוח התפוקה האופטי שלה ^15. גישות נוספות על ידי Pribe ו Ravichandran מכוון להגדיל את אופטי כוח הפלט על ידי גם צימוד לייזר ל SLM ^{16 ,} S = "xref"> 17.

הפרוטוקול המוצג כאן מתאר כיצד ליישם את שיטת LPPT לאתר פגמים מתחת לפני הקרקע מונחה בניצב על פני השטח של דגימות פלדה. השיטה נמצאת בשלב מוקדם, אך חזקה מספיק כדי לאמת את הגישה המוצעת; עם זאת, הוא עדיין מוגבל במונחים של כוח הפלט האופטי השגה של ההתקנה הניסויית. מאז הגידול של כוח הפלט האופטי נשאר אתגר, השיטה המוצגת מוחל על פלדה מצופה המכיל מלאכותית פריקה חשמלית machches חריצים. אף על פי כן, הצעדים החשובים והקריטיים ביותר של הפרוטוקול, יצירת תאורה מובנית הומוגנית, עמידה בתנאים המוקדמים להפרעות גל תרמיות הרסניות ואיתור הפגם, עדיין מקיימים פגמים תובעניים יותר. מאז הכמות השולטת היא μL אורך דיפוזיה תרמית, שיטת LPPT ניתן להחיל על חומרים שונים רבים גם כן.

Nt ">
איור 1: עקרון השפעת ההפרעה ההרסנית. ( א ) סכמטי של דפוס תאורה בשימוש במהלך ניסויים. המדגם הוא מרחבי מחומם זמנית על ידי שני דפוסים מואר מדי פעם עם משמרת פאזה של π. הקו המקווקו מייצג את קו הסימטריה בין שתי הדפוסים. קו זה ישמש להערכה כ"קו דלדול ". ( ב ) דיאגרמה של תוצאה תרמית לסירוגין במרחב ובזמן נפתרה לסירוגין כפי שחושב מן הפתרון האנליטי של משוואת הולכה חום תרמית. זה מראה את הגלים התרמיים להגיב להארה של (א) עם אראדיאנס של שני דפוסים עם P _{Opt 1} = 1.5 W חטא (2π 0.125 Hz t ) + 1.5 ו P _{אופט 2} = 1.5 W חטא (2π 0.125 Hz t + Π) + 1.5 W עבור פלדה קונסטרוקטיבית </Em> = 7,850 kg / m ³ , c _p = 461 J / (kg · K), k = 54 W / (m · K). פרופיל הטמפרטורה בקו המקווקו אינו מציג תנודה תרמית עבור חומר איזוטרופי הומוגני. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2: סכמטי של עקרון המדידה של חימום מובנה המשמש תרמוגרפיה פעיל. קרן גאוס homogenized לפרופיל כובע העליון מוחל על אפנן אור מרחבי (SLM). ה- SLM פותר את הקורה באופן מרחבי על-ידי האלמנטים הניתנים לשינוי, וזמני המעבר שלהם. כל אלמנט מייצג פיקסל SLM. בניסוי זה, ה- SLM הוא מכשיר ראי דיגיטלי (DMD). על ידי מווסת את בהירות פיקסל A עם הזמן תוכנה שליטה דטרמיניסטית, משטח המדגםהוא מחומם בצורה מובנית. במקרה של הניסוי המוצג, אנו מווסתים שני קווים מנוגדים (Phase = 0, π), שהם המקור של הפרעה קוהרנטית של שדות גל תרמי בזווית התדר הזוויתי. שדות הגל אינטראקציה עם המבנה הפנימי של המדגם גם להשפיע על שדה הטמפרטורה על פני השטח. זה נמדד באמצעות קרינה תרמית שלה על ידי מצלמת אינפרא אדום באמצע גל. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.