Lazerle Projeksiyonlu Fototermal Termografi Kullanılarak Yapısal Isıtma Yöntemiyle Alt Yüzey Kusurlu Lokalizasyonu

Lazerle projelendirilen fototermal termografi (LPPT) yöntemi, test numunesinin hacmine gömülü olan ve ağırlıklı olarak yüzeyine dik olan yüzey altı kusurların yerini belirlemek için kullanılır.

Yöntem Şekil 1b'de gösterildiği gibi aynı gerilme ve frekanstaki iki anti-fazlı termal dalga alanının yıkıcı etkileşimini kullanır. İzotropik kusursuz malzemelerde, termal dalgalar, simetri düzleminde tutarlı süperpozisyonla yıkıcı olarak nötralize edilir ( yani, sıfır sıcaklık osilasyonu). Yüzey altı bir kusurlu bir materyal durumunda, yöntem, geçici ısı akışı ile bu kusur arasındaki yanal ( yani düzlem içi) bileşenlerin etkileşiminden yararlanmaktadır. Bu etkileşim, numune yüzeyindeki simetri hattında yeniden oluşturulmuş salınımlı bir sıcaklık uzamasında ölçülebilir. Şimdi, örnek içeren kusur, üst üste binmiş termal dalga alanı taranıyor veSıcaklık uzama seviyesi numune pozisyonuyla ilişkili olarak ölçülür. Simetri sebebiyle, defektif simetri düzlemi geçtiğinde yıkıcı girişim koşulları bir kez daha karşılanır; Bu, kusuru çok hassas bir şekilde tespit etmemizi sağlar. Dahası, yıkıcı girişimin maksimum bozulma seviyesi kusurun derinliği ile korele olduğundan, sıcaklık taraması ^1'i analiz ederek derinliğini belirlemek mümkündür.

LPPT, geçici ısınmanın aktif olarak üretildiği ve bunun sonucunda da geçici ısı dağılımının termal bir IR kamera ile ölçülmekte olduğu iyi kurulmuş tahribatsız bir yöntem olan aktif termografi metodolojisine atanabilir. Genel olarak, bu metodolojinin hassasiyeti, geçici ısı akışına esas olarak dik olan kusurlar ile sınırlıdır. Dahası, geçici geçici ısı iletim denklemi parabolik kısmi diferensiyeldirDenklemde, hacimdeki ısı akışı şiddetle azaltılır. Sonuç olarak, aktif termografi metodolojisinin sondalama derinliği, genellikle milimetre aralığında, yakın bir yüzey bölgesi ile sınırlıdır. En yaygın aktif termografi tekniklerinden ikisi darbeli ve kilitlenmiş termografidir. Düzlemsel optik yüzey aydınlatması ^2'den dolayı hızlıdır, ancak yüzeye dik olan geçici ısı akışına neden olurlar. Bu nedenle, bu tekniklerin hassasiyeti, ağırlıklı olarak ısıtılmış numune yüzeyine paralel ( örn. Delaminasyonlar veya boşluklar) yönlendirilmiş kusurlar ile sınırlıdır. Darbeli termografi için ampirik bir kural "en küçük saptanabilir kusurun yarıçapı, yüzeyin altındaki derinliğinden en az bir ila iki kat daha büyük olmalıdır" şeklindedir. Dikey olarak yönlendirilmiş bir kusur ( örneğin bir çatlak) ile ısı akışı arasındaki etkin etkileşim alanını arttırmak için, ısı akışının yönüdeğişti. Örneğin, doğrusal veya dairesel bir noktaya sahip odaklanmış bir lazer kullanarak lokal uyarma, dikey kusur ^{4 , 5 , 6 , 7} ile etkili bir şekilde etkileşime girebilen bir düzlem içi bileşen ile bir ısı akışı üretir.

Sunulan yöntemde, alt yüzeydeki kusurları tespit etmek için yanal ısı akışı bileşenlerini de kullanıyoruz, ancak termal dalgaların üst üste binebileceği gerçeğini kullanıyoruz, oysa kusurlar, özellikle dikey olarak yönlendirilmiş olanlar, bu üst üste binmeyi bozuyor. Bu yolla sunum yöntemi, referans dışı, simetrik ve çok hassas bir yöntemi andırır; zira suni yüzey altı kusurlarını bir ^{8 , 9'un} çok altındaki bir genişlik / derinlik oranında algılamak mümkündür. Şimdiye kadar, yeterli miktarda enerji sağlayan iki anti fazlı termal dalga alanı oluşturmak zordu. Bu b'ye ulaştıkY Lazer sisteminin yüksek optik gücünü, SLM'nin mekansal ve zamansal çözünürlüğüyle ( Şekil 2'ye bakınız) bir yüksek güçlü projektöre birleştirmeye imkân veren bir yüksek ışıklı diyot lazere uzamsal ışık modülatörü (SLM) bağlamak . Termal dalga alanları, iki anti-fazlı sinüzoidal modüle çizgi deseninin fototermal dönüşümüyle yansıtılan görüntünün piksel parlaklığı üzerinden yaratılmıştır (bkz. Şekil 2 , Şekil 1a ). Bu, numunenin yüzeyinin yapılandırılmış ısıtılmasına yol açar ve iyi tanımlanmış yıkıcı olarak müdahale eden termal dalga alanlarına neden olur. Yer altı bir kusur bulmak için, tahrip edici çıkarsamanın bozulması, bir IR kamera kullanarak yüzeyde bir sıcaklık osilasyonu olarak ölçülür.

Termal dalga terimi tartışmalıdır çünkü termal dalgalar ısı yayılımının yayıcı karakteri nedeniyle enerjiyi nakletmiyor. Hala, dalga benzeri bir davranış vardır hea Periyodik olarak, gerçek dalgalar ile difüzyon süreçleri arasındaki benzerlikleri kullanmamıza izin vererek ^{10 , 11 , 12} . Böylece, bir termal dalga, yayılma yönünde oldukça sönümlenmiş ancak zamanla periyodik olarak anlaşılabilir ( Şekil 1b ). Karakteristik termal yayılma uzunluğu Malzeme özellikleri (termal iletkenlik k , ısı kapasitesi c _p ve yoğunluk ρ ) ve uyarma frekansı ƒ ile açıklanmaktadır. Termal dalga şiddetle çürüme olmasına rağmen, dalga yapısı, numunenin özelliklerini anlamak için uygulanabilir. Katmanların kalınlığını belirlemek için ilk termal dalga girişim uygulaması uygulandı. Metodumuzun aksine, parazit etkisi derinlik boyutunda kullanılmıştır ( yani , yüzeye dik olarak) Ref "> 13. Bir lazer ışını ayırarak etkileşim boyutunu ikinci bir boyuta kadar genişletmek için yüzey altı kusurlarını boyutlandırmak için termal dalga girişim kullanıldı ¹⁴ Bununla birlikte, bu yöntem iletim konfigürasyonunda uygulanmıştır, bu da penetrasyon ile sınırlandırılmıştır Termal dalgaların derinliği Tek bir lazer kaynağı kullanılmadığı için bu yöntem yapısal paraziti uygular, yani kusursuz bir referansa ihtiyaç duyulur. Termal dalga girişimini kullanma fikrinin yanı sıra, Geçici olarak kontrol edilen ısıtma, Holtmann ve diğerleri tarafından, optik çıkış gücünde ciddi derecede sınırlı yerleşik ışık kaynağına sahip değiştirilmemiş bir sıvı kristal ekran (LCD) projektör kullanılarak gerçekleştirildi. [ ¹⁵ ] Pribe ve Ravichandran'ın diğer yaklaşımları, Bir lazerin bir SLM'ye ( ¹⁶⁾ bağlanmasıyla ^, S = "xref"> 17.

Burada sunulan protokol, çelik numunelerin yüzeyine dikey olarak yönlendirilmiş yeraltı kusurlarının yerini belirlemek için LPPT yönteminin nasıl uygulanacağını açıklamaktadır. Yöntem erken bir aşamadadır, ancak önerilen yaklaşımı onaylayacak kadar güçlüdür; Bununla birlikte, deney düzeneğinin erişilebilir optik çıkış gücü açısından hala sınırlıdır. Optik çıkış gücünün artması bir zorluk olmaya devam ettiği için sunulan yöntem suni elektrik boşaltma ile işlenmiş çentikler içeren kaplamalı çelik üzerine uygulanmaktadır. Yine de, protokolün homojen bir yapılandırılmış aydınlatma üreten, yıkıcı termal dalga girişiminin ön koşullarını yerine getiren ve kusurun yerini tespit eden en önemli ve kritik adımları halen daha zorlu kusurlar için de geçerlidir. Yönetim miktarı termik yayılma uzunluğu μ olduğu için, LPPT yöntemi çok sayıda farklı malzemeye de uygulanabilir.

nt ">
Şekil 1: Zararlı parazit etkisi ilkesi. ( A ) Deneyler sırasında kullanılan aydınlatma düzeninin şeması. Numune, π'nin bir faz kaydırması ile periyodik olarak aydınlatılan iki desenle uzaysal ve geçici olarak ısıtılır. Kesikli çizgi, her iki desen arasındaki simetri çizgisini temsil eder. Bu çizgi değerlendirme için "tükenme çizgisi" olarak kullanılacaktır. ( B ) Termal ısı iletim denkleminin analitik çözümünden hesaplanan uzamsal ve zamansal olarak çözülen alternatif termal sonuç diyagramı. (A) 'nın aydınlatılmasına tepki veren termal dalgaları, P _{opt 1} = 1.5 W sin (2π 0.125 Hz t ) + 1.5 W ve P _{opt 2} = 1.5 W sin (2π, 0.125 Hz t + Π) + inşaat çelikleri için 1,5 W ρ </Em> = 7,850 kg / m3, cp = 461 J / (kg.K), k = 54 W / (m.K). Kesikli çizgideki sıcaklık profili, homojen, izotropik malzeme için termal salınım göstermez. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

Şekil 2: Aktif termografide kullanılan yapılandırılmış ısıtma ölçüm prensibinin şeması. Bir üst şapka profiline homojenize edilmiş bir Gauss kirişi, Bir Uzaysal Işık Modülatörüne (SLM) uygulanır. SLM kirişi, değiştirilebilir elemanları ve zamana göre anahtarlama hızı ile uzamsal olarak giderir. Her öğe, bir SLM pikseli temsil eder. Bu deneyde SLM, bir dijital mikro ayna cihazı (DMD) 'dir. Piksel parlaklığı A'nın zaman deterministik kontrol yazılımı ile modüle edilerek, numune yüzeyiYapılandırılmış bir şekilde ısıtılır. Sunulan deneyde, açısal frekansta ω'da tutarlı şekilde müdahale eden termal dalga alanlarının kaynağı olan iki anti-fazlı hattı (fazlar: φ = 0, π) modüle ederiz. Dalga alanları, yüzeydeki sıcaklık alanını da etkileyen numunenin iç yapısıyla etkileşir. Bu, termal radyasyon ile orta dalga kızıl ötesi kamera ile ölçülür. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.