Localizzazione dei difetti suburfacea mediante riscaldamento strutturato utilizzando la termografia fototermica proiettata laser

Il metodo di termografia fototermica proiettata laser (LPPT) viene utilizzato per individuare i difetti sottosufficiali che sono incorporati nel volume del campione di prova e orientati prevalentemente perpendicolarmente alla sua superficie.

Il metodo utilizza l'interferenza distruttiva di due campi d'onda termica antifasica dello stesso allungamento e della frequenza come mostrato nella Figura 1b . Nei materiali privi di difetti isotropici le onde termiche neutralizzano in maniera distruttiva ( ovvero oscillazione della temperatura zero) al piano di simmetria per sovrapposizione coerente. In caso di un materiale con un difetto di sovratensione, il metodo sfrutta l'interazione dei componenti laterali ( cioè in-piano) tra il flusso di calore transitorio e questo difetto. Questa interazione può essere misurata in un nuovo allungamento della temperatura oscillante alla linea di simmetria sulla superficie del campione. Ora, il campione che contiene il difetto viene scandito dal campo d'onda termica sovrapposta eIl livello di allungamento della temperatura viene misurato in relazione alla posizione del campione. A causa della simmetria, la condizione di interferenza distruttiva viene soddisfatta ancora una volta quando il difetto attraversa il piano di simmetria; Questo ci permette di individuare il difetto molto sensibilmente. Inoltre, dal momento che il livello di disturbo massimo dell'interferenza distruttiva è correlato alla profondità del difetto, è possibile determinare la sua profondità analizzando la scansione di temperatura ¹ .

Il LPPT può essere assegnato alla metodologia di termografia attiva, un metodo non distruttivo ben consolidato, in cui viene generato attivamente il riscaldamento transitorio e la conseguente distribuzione, anche temporanea, della temperatura viene misurata tramite una telecamera IR termica. In generale, la sensibilità di questa metodologia è limitata a difetti orientati essenzialmente perpendicolari al flusso di calore transitorio. Inoltre, poiché l'equazione di conduzione calorica transitoria di governo è una differenza parabolica parzialeL'equazione nziale, il flusso di calore nel volume è fortemente smorzato. Di conseguenza, la profondità di sondaggio della metodologia di termografia attiva è limitata ad una regione di superficie vicina, di solito nella gamma del millimetro. Due delle più comuni tecniche di termografia attiva sono pulsate e termografiche di blocco. Sono veloci a causa dell'illuminazione planare della superficie ottica ² , ma portano ad un flusso di calore transitorio perpendicolare alla superficie. Pertanto, la sensibilità di queste tecniche è limitata a difetti prevalentemente orientati in parallelo ( ad esempio delaminazioni o vuoti) alla superficie del campione riscaldata. Una regola empirica per la termografia pulsata afferma che "il raggio del più piccolo difetto rilevabile deve essere almeno uno o due volte più grande della sua profondità sotto la superficie" ³ . Per aumentare l'area di interazione effettiva tra un difetto orientato perpendicolarmente ( ad es. Una crepa) e il flusso di calore, è necessario che la direzione del flusso di calorecambiato. L'eccitazione locale, ad esempio, usa un laser concentrato con un punto lineare o circolare, genera un flusso di calore con un componente in piano che è in grado di interagire efficacemente con il difetto perpendicolare ^{4 , 5 , 6 , 7} .

Nel metodo presentato, usiamo anche i componenti laterali di flusso di calore per rilevare i difetti di sottosuolo, ma utilizziamo il fatto che le onde termiche possono essere sovrapposte, mentre difetti, in particolare quelli verticalmente, disturbano questa sovrapposizione. In questo modo, il metodo presentato assomiglia a un metodo senza riferimento, simmetrico e molto sensibile, in quanto è possibile rilevare difetti artificiali di sottosuolo a un rapporto di larghezza / profondità molto inferiore a uno ^{8 , 9} . Fino ad ora era difficile creare due campi d'onda termica antifasica che fornissero energia sufficiente. Abbiamo raggiunto questo bY unisce un modulatore di luce spaziale (SLM) ad un laser a diodi ad alta potenza che ci ha permesso di unire l'alta potenza ottica del sistema laser con la risoluzione spaziale e temporale della SLM (vedi figura 2 ) in un proiettore ad alta potenza . I campi delle onde termali sono ora create dalla conversione fototermica di due modelli di linee modulati sinusoidalmente antifasici tramite la luminosità del pixel dell'immagine proiettata (vedi Figura 2 , Figura 1a ). Ciò porta a un riscaldamento strutturato della superficie del campione e si traduce in campi d'onda termici ben definiti e distruttivi. Per individuare un difetto di sottosuolo, il disturbo dell'inferenza distruttiva viene misurato come una oscillazione di temperatura in superficie utilizzando una telecamera IR.

Il termine "onda termica" viene discusso in modo controverso poiché le onde termiche non trasportano energia a causa del carattere diffusivo della propagazione del calore. Tuttavia, c'è un comportamento simile all'onda quando hea Periodicamente, permettendoci di utilizzare somiglianze tra onde reali e processi di diffusione ^{10 , 11 , 12} . Così, un'onda termica può essere intesa come altamente smorzata nella direzione di propagazione ma periodica nel tempo ( Figura 1b ). La lunghezza di diffusione termica caratteristica È descritta dalle proprietà materiali (conducibilità termica k , capacità termica c _p e densità ρ ) e frequenza di eccitazione ƒ. Anche se l'onda termica si sta decadendo fortemente, la sua natura d'onda può essere applicata per ottenere informazioni sulle proprietà del campione. La prima applicazione di interferenze dell'onda termica è stata utilizzata per determinare lo spessore degli strati. In contrasto con il nostro metodo, l'effetto di interferenza è stato utilizzato nella dimensione di profondità (perpendicolare alla superficie) Ref "> 13. Estendendo l'idea di interferenze a una seconda dimensione dividendo un fascio laser, è stata utilizzata l'interferenza dell'onda termica per dimensionare i difetti sottostanti ^14. Ancora questo metodo è stato applicato nella configurazione della trasmissione, il che significa che è stato limitato dalla penetrazione Inoltre, poiché è stata utilizzata una sola sorgente laser, questo metodo utilizza interferenze costruttive, il che significa che è necessario un riferimento senza difetti. Oltre all'idea di utilizzare l'interferenza dell'onda termica, il primo approccio tecnico a livello spaziale e Il riscaldamento temporale controllato è stato eseguito da Holtmann ed altri utilizzando un proiettore non modificato a cristalli liquidi (LCD) con la sorgente luminosa incorporata, che è stata fortemente limitata nella sua potenza di uscita ottica ^15. Ulteriori approcci di Pribe e Ravichandran mirano ad aumentare l'ottica Potenza di uscita anche collegando un laser ad un SLM ^{16 ,} S = "xref"> 17.

Il protocollo qui descritto descrive come applicare il metodo LPPT per individuare i difetti di sottosuolo orientati perpendicolarmente alla superficie dei campioni d'acciaio. Il metodo è in una fase precoce, ma abbastanza potente per convalidare l'approccio proposto; Tuttavia, è ancora limitata in termini di potenza ottica di uscita ottimale dell'installazione sperimentale. Poiché l'aumento della potenza di uscita ottica rimane una sfida, il metodo presentato viene applicato all'acciaio rivestito contenente tacche lavorate artificiali a scarica elettrica. Tuttavia, i passi più importanti e più critici del protocollo, generando un'illuminazione strutturata omogenea, che soddisfano i requisiti per l'interferenza distruttiva dell'onda termica e individuando il difetto, restano però ancora per difetti più impegnativi. Poiché la quantità di regolazione è la lunghezza di diffusione termica μ, il metodo LPPT può essere applicato anche a numerosi materiali diversi.

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Figura 1: Principio dell'effetto distruttivo di interferenza. ( A ) Schema dello schema di illuminazione utilizzato durante gli esperimenti. Il campione viene riscaldato spazialmente e temporaneamente da due modelli periodicamente illuminati con uno spostamento di fase di π. La linea tratteggiata rappresenta la linea di simmetria tra entrambi i modelli. Questa linea verrà utilizzata per la valutazione come una "linea di esaurimento". ( B ) Diagramma del risultato termico alternato spatialmente e temporaneamente calcolato dalla soluzione analitica dell'equazione di conduzione termica termica. Esso mostra le onde termiche rispondenti all'illuminazione di (a) con un'irradianza dei due modelli con P _{opt 1} = 1,5 W sin (2π 0,125 Hz t ) + 1,5 W e P _{opt 2} = 1,5 W sin (2π 0,125 Hz t + Π) + 1,5 W per l'acciaio costruttivo ρ </Em> = 7.850 kg / m ³ , c _p = 461 J / (kg · K), k = 54 W / (m · K). Il profilo di temperatura sulla linea tratteggiata non mostra alcuna oscillazione termica per materiale omogeneo, isotropico. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Schema del principio di misurazione del riscaldamento strutturato impiegato in termografia attiva. Un fascio Gaussio omogeneizzato a un profilo di cappello è applicato a un Modulatore di Luce Spaziale (SLM). Lo SLM risolve il fascio spazialmente dagli elementi commutabili e temporaneamente dalla velocità di commutazione. Ogni elemento rappresenta un pixel SLM. In questo esperimento, SLM è un dispositivo digitale micro specchio (DMD). Modulando la luminosità del pixel A con un software di controllo deterministico tempo, la superficie del campioneViene riscaldata in modo strutturato. Nel caso dell'esperimento presentato, modulare due linee antifase (fasi: φ = 0, π), che sono l'origine dei campi di onde termali interferenti coerenti alla frequenza angolare ω. I campi d'onda interagiscono con la struttura interna del campione che influenzano anche il campo di temperatura in superficie. Questo viene misurato tramite la sua radiazione termica da una telecamera infrarossa a media onda. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.