Localização de Defeitos Subsuperficiais por Aquecimento Estruturado usando a Termografia Fototérmica Projetada a Laser

O método de termografia fototérmica projetada a laser (LPPT) é usado para localizar defeitos subsuperficiais que estão embutidos no volume da amostra de teste e orientados predominantemente perpendiculares à sua superfície.

O método utiliza a interferência destrutiva de dois campos de onda térmica anti-fase do mesmo alongamento e frequência como mostrado na Figura 1b . Em materiais livres de defeitos isotrópicos, as ondas térmicas neutralizam destrutivamente ( ou seja, oscilações de temperatura zero) no plano de simetria por superposição coerente. No caso de um material com defeito subsuperficial, o método aproveita a interação dos componentes laterais ( isto é, no plano) entre o fluxo de calor transiente e esse defeito. Esta interacção pode ser medida num alongamento de temperatura oscilante recriado na linha de simetria na superfície da amostra. Agora, o defeito que contém a amostra é varrido pelo campo da onda térmica superposta eO nível de alongamento da temperatura é medido em relação à posição da amostra. Devido à simetria, a condição de interferência destrutiva é satisfeita novamente quando o defeito cruza o plano de simetria; Isto nos permite localizar o defeito muito sensivelmente. Além disso, uma vez que o nível de perturbação máxima da interferência destrutiva está correlacionado com a profundidade do defeito, é possível determinar a sua profundidade analisando a varredura de temperatura ¹ .

O LPPT pode ser atribuído à metodologia de termografia ativa, um método não destrutivo bem estabelecido, onde o aquecimento transiente é ativamente gerado ea distribuição de temperatura resultante, também transitória, é medida através de uma câmera IR térmica. Em geral, a sensibilidade desta metodologia está limitada a defeitos que são orientados essencialmente perpendiculares ao fluxo de calor transitório. Além disso, uma vez que a equação transitória de condução de calor reguladora é uma parabólica parcialO fluxo de calor para o volume é fortemente amortecido. Como consequência, a profundidade de sondagem da metodologia de termografia activa é limitada a uma região de superfície próxima, geralmente na gama de milímetros. Duas das técnicas de termografia ativa mais comuns são a termografia pulsada e de bloqueio. Eles são rápidos devido à iluminação de superfície óptica plana ² , mas conduzem a um fluxo de calor transiente perpendicular à superfície. Por conseguinte, a sensibilidade destas técnicas está limitada a defeitos predominantemente orientados paralelos ( por exemplo, delaminações ou vazios) para a superfície da amostra aquecida. Uma regra empírica para a termografia pulsada afirma que "o raio do menor defeito detectável deve ser pelo menos uma a duas vezes maior do que sua profundidade sob a superfície" ³ . Para aumentar a área de interacção efectiva entre um defeito perpendicularmente orientado ( por exemplo, uma fissura) eo fluxo de calor, a direcção do fluxo de calor tem de serAlterado. A excitação local, utilizando um laser focado com um ponto linear ou circular, por exemplo, gera um fluxo de calor com uma componente no plano que é capaz de interagir eficazmente com o defeito perpendicular ^{4 , 5 , 6 , 7} .

No método apresentado, também utilizamos os componentes laterais de fluxo de calor para detectar defeitos subsuperficiais, mas usamos o fato de que as ondas térmicas podem ser superpostas, enquanto que os defeitos, especialmente orientados verticalmente, perturbam essa superposição. Desta forma, o método apresentado assemelha-se a um método livre de referência, simétrico e muito sensível, uma vez que é possível detectar defeitos artificiais subterrâneos numa relação largura / profundidade muito inferior a ^8,9 . Até agora, era difícil criar dois campos de ondas térmicas anti-fase que fornecessem energia suficiente. Conseguimos isso bAcoplando um modulador de luz espacial (SLM) a um laser de diodo de alta potência, que nos permitiu mesclar a alta potência óptica do sistema de laser com a resolução espacial e temporal do SLM (ver Figura 2 ) em um projetor de alta potência . Os campos de ondas térmicas são agora criados por conversão fototérmica de dois padrões de linha modulados sinusoidalmente anti-fase através do brilho de pixel da imagem projectada (ver Figura 2 , Figura 1a ). Isto leva ao aquecimento estruturado da superfície da amostra e resulta em campos de ondas térmicas de interferência destrutiva bem definidos. A fim de encontrar um defeito subterrâneo, a perturbação da inferência destrutiva é medida como uma oscilação de temperatura na superfície usando uma câmera IR.

O termo onda térmica é controversamente discutido porque as ondas térmicas não transportam energia devido ao caráter difusivo da propagação do calor. Ainda assim, há um comportamento ondulatório quando hea Permitindo que usemos semelhanças entre ondas reais e processos de difusão ^{10 , 11 , 12} . Assim, uma onda térmica pode ser entendida como altamente amortecida na direcção de propagação, mas periódica ao longo do tempo ( Figura 1b ). O comprimento de difusão térmica característico É aqui descrita pelas suas propriedades materiais (condutividade térmica k , capacidade térmica c _p e densidade ρ ) e a frequência de excitação ƒ. Embora a onda térmica esteja em decomposição forte, sua natureza ondulatória pode ser aplicada para obter uma visão das propriedades da amostra. A primeira aplicação de interferência de ondas térmicas foi utilizada para determinar a espessura das camadas. Em contraste com o nosso método, o efeito de interferência foi utilizado na dimensão da profundidade ( ou seja, perpendicular à superfície) 13) Ampliando a idéia de interferência a uma segunda dimensão pela divisão de um feixe de laser, a interferência de ondas térmicas foi usada para dimensionar defeitos de subsuperfície ^14. Ainda este método foi aplicado em configuração de transmissão, o que significa que foi limitado pela penetração Além disso, uma vez que apenas uma fonte de laser foi utilizada, este método aplica-se interferência construtiva, o que significa que é necessária uma referência sem defeitos.Além da idéia de usar a interferência de ondas térmicas, a primeira abordagem técnica para o espaço e O aquecimento temporalmente controlado foi realizado por Holtmann et al., Utilizando um projector de cristal líquido (LCD) não modificado com a fonte de luz incorporada, que estava severamente limitada na sua potência de saída óptica ^15. Outras abordagens por Pribe e Ravichandran visavam aumentar o alcance óptico Potência de saída acoplando também um laser a um SLM ^{16 ,} S = "xref"> 17.

O protocolo aqui apresentado descreve como aplicar o método LPPT para localizar defeitos subsuperficiais orientados perpendicularmente à superfície de amostras de aço. O método está numa fase inicial, mas suficientemente poderoso para validar a abordagem proposta; Contudo, ainda é limitada em termos da potência de saída óptica alcançável da configuração experimental. Uma vez que o aumento da potência de saída óptica continua a ser um desafio, o método apresentado é aplicado a entalhes fabricados com eléctrodos revestidos com eletricidade artificial. No entanto, as etapas mais importantes e mais críticas do protocolo, gerando uma iluminação estruturada homogênea, atendendo aos pré-requisitos para interferência de ondas térmicas destrutivas, e localizando o defeito, ainda mantêm para defeitos mais exigentes. Uma vez que a quantidade governante é o comprimento de difusão térmica μ, o método LPPT também pode ser aplicado a numerosos materiais diferentes.

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Figura 1: Princípio de efeito de interferência destrutiva. (A) Esquema do padrão de iluminação utilizado durante as experiências. A amostra é aquecida espacial e temporalmente por dois padrões iluminados periodicamente com um desvio de fase de π. A linha tracejada representa a linha de simetria entre os dois padrões. Esta linha será usada para avaliação como uma "linha de esgotamento". ( B ) Diagrama do resultado térmico alternado resolvido espacial e temporalmente calculado a partir da solução analítica da equação de condução térmica térmica. Mostra as ondas térmicas que respondem à iluminação de (a) com uma irradiância dos dois padrões com 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 para aço de construção ρ </Em> = 7,850 kg / m3, c _p = 461 J / (kg · K), k = 54 W / (m · K). O perfil de temperatura na linha tracejada não apresenta oscilação térmica para material isotrópico homogêneo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: Esquema do princípio de medição do aquecimento estruturado utilizado na termografia activa. Um feixe gaussiano homogeneizado para um perfil de topo é aplicado a um modulador de luz espacial (SLM). O SLM resolve o feixe espacialmente por seus elementos comutáveis ​​e temporalmente por sua velocidade de comutação. Cada elemento representa um pixel SLM. Nesta experiência, o SLM é um dispositivo de micro espelho digital (DMD). Modulando o brilho de pixel A com um software de controlo determinista de tempo, a superfície de amostraÉ aquecida de forma estruturada. No caso da experiência apresentada, modulamos duas linhas anti-fase (fases: φ = 0, π), que são a origem de campos de ondas térmicas de interferência coerente na freqüência angular ω. Os campos de onda interagem com a estrutura interna da amostra também influenciando o campo de temperatura na superfície. Isto é medido através de sua radiação térmica por uma câmera infravermelha de onda média. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.