توطين العيوب تحت السطح عن طريق التدفئة المنظمة باستخدام الليزر الحرارية الحرارية المتوقعة

الهدف العام من هذه الطريقة هو استخدام تسخين مهيكل وتصوير حراري عالي الدقة بطريقة غير إتلافية وغير تلامسية لتحديد مواقع العيوب تحت السطحية الموجهة عمودياً على سطح عينة من الصلب. يمكن أن تساعد هذه الطريقة في الإجابة على أسئلة جوهرية في مجال التصوير الحراري؛ على سبيل المثال، مدى صغر وعمق العيب الذي يمكن اكتشافه.

تتمثل الميزة الرئيسية لهذه التقنية في قدرتنا على توليد مجالات موجات حرارية تنتشر في مستوى الرصد، مما يجعل هذا النهج عالي الحساسية للعيوب الموجهة عمودياً. تم تركيب نظام التصوير الحراري الضوئي المسقط بالليزر هذا على لوحة تجارب مخبرية (bench top breadboard)، وقد خضع هذا النظام لمعظم الخطوات التحضيرية اللازمة لاستخدامه في التجربة.

يوجد مصدر الليزر عند بداية مسار الحزمة. ويتم دعم ليف الليزر هذا بواسطة حامل ليف ليزر. بعد ذلك، يقوم تلسكوب بتقليل قطر حزمة الليزر إلى الحجم المناسب للمراحل اللاحقة في خط الحزمة.

خلف سامبلر الحزمة، يمتص رأس مقياس طاقة بقدرة 500 watt جزءاً كبيراً من طاقة الحزمة للسماح لليزر بالعمل بكامل طاقته. ومن سامبلر الحزمة، تستمر الحزمة عبر مرآة وصولاً إلى مجموعة تطوير جهاز عرض (projector development kit)، وهو عبارة عن جهاز عرض تجاري مفكك تمت إزالة محرك الضوء والعدسات منه.

بالنسبة للتجربة، قم بموازاة الحزمة لتدخل إلى جهاز العرض. بعد مرورها عبر جهاز العرض، ستصطدم الحزمة بالعينة التي سيتم تركيبها على منصة إزاحة يتم التحكم فيها بواسطة الكمبيوتر. لإكمال هذا الإعداد، احصل على عدسة بطول بؤري 100 millimeter لجهاز العرض.

قم بتثبيت العدسة في شيئية جهاز العرض مباشرة قبل مرحلة الإزاحة. بعد ذلك، استخدم مصباح LED يدويًا كمصدر ضوء إدخال لجهاز العرض. ضع ورقة بيضاء أمام الشيئية وحركها حتى يظهر مستطيل مضاء حاد على الورقة يشير إلى موقع مستوى الصورة.

في هذه المرحلة، أحضر عينة لاستخدامها في التجربة. قم بتثبيت العينة في مسار الشعاع على منصة الإزاحة الخطية المجهزة برافعة مختبرية. ارفع العينة باستخدام الرافعة المختبرية بحيث يكون الجزء العلوي منها محاذياً للجزء العلوي من المستطيل المسقط.

تأكد من أن العيب يقع ضمن المنطقة المضاءة في مستوى الصورة. بعد ذلك، قم بإعداد التصوير بالأشعة تحت الحمراء عن طريق تثبيت مرآة ذهبية على حامل أولاً؛ حيث ستعمل المرآة على عكس الحزمة المشتتة باتجاه الكاميرا.

ثبّت المرآة على حامل أعمدة بالقرب من جهاز العرض. يجب أن تعكس المرآة الحافة العلوية للعينة، وأن تكون مائلة بحيث تتيح رؤية أكبر قدر ممكن من سطح العينة. سيدخل الضوء المنعكس من المرآة إلى كاميرا تعمل بالأشعة تحت الحمراء مثبتة على حامل ثلاثي القوائم.

ضعها على مستوى ارتفاع عدسة الشيئ الخاص بجهاز العرض بحيث تظهر الصورة البيضاء المسقطة عبر المرآة الذهبية. قم بإعداد الكاميرا ليتم التحكم بها بواسطة الكمبيوتر، واتركها حتى تسخن. بعد توصيل الكاميرا ببرنامج التحكم الخاص بها، أحضر مسطرة فولاذية.

ثبّت المسطرة عند سطح العينة وقم بضبط بؤرة الكاميرا عليها يدويًا. يساعد التباين الحراري بالنسبة للمسطرة الفولاذية في عملية الضبط البؤري. احرص على الحصول على أوضح صورة ممكنة.

تعد إحدى أهم الخطوات هي تحقيق دقة جانبية كافية عند سطح العينة. يكتسب هذا الأمر أهمية بالغة لضرورة تمييز خط الاستنزاف. استخدم برنامج الليزر لضبط جهد الليزر على 10 volts ثم ابدأ بتشغيل الليزر.

استخدم برنامج الكاميرا لتحديد العلاقة بين جهاز العرض والكاميرا. اختر Measure من الخيارات الموجودة في الأعلى. انتقل إلى شريط أدوات Measure areas واختر خيار أداة التقاطع (cross tool).

عندما يكون الليزر قيد التشغيل، ستظهر صورة حرارية. استخدم الأداة لتحديد زوايا الصورة عن طريق النقر بزر الماوس الأيسر على الإطار، ثم سجل الإحداثيات. يجب تهيئة برنامج التحكم في الكاميرا من أجل التجربة.

ابدأ بالانتقال إلى لوحة الكاميرا (Camera panel). من هناك، انقر فوق زر التحكم عن بُعد (Remote) لفتح لوحة التحكم عن بُعد. اختر من القائمة المنسدلة خيار Process-IO.

بعد ذلك، انقر فوق خيار Sync In وخيار Gate. ثم أغلق القائمة. ومن علامة تبويب Acquisitions parameters، افتح قائمة Acquisition.

اختر External Sync من القائمة المنسدلة. حدد أسماء الملفات والمجلدات في حقل Folder. بعد ذلك، انتقل إلى حقل Count وأدخل عدد الإطارات المحسوب مسبقاً، ثم أغلق قائمة Acquisition.

ابدأ عملية الحصول على بيانات الكاميرا باختيار Record. في هذه المرحلة، انتقل إلى برنامج التحكم في التجربة. انقر على Activate لتنشيط وحدة التحكم في الحركة.

بعد ذلك، قم بتعديل موضعي البداية والنهاية بالمليمتر ليشمل العيب في المسح. بعد ذلك، أدخل السرعة بالمليمتر في الثانية. انقر فوق بدء القياس.

انقر بزر الفأرة الأيسر على حقل اختيار لون المنطقة (Choose Area Color). في مربع حوار الألوان، اختر لوناً لمنطقة النمط. انتقل إلى شريط أدوات الرسم واختر أداة المستطيل.

انتقل إلى منطقة الصورة واستخدم الأداة لإنشاء مستطيل يتوافق مع نطاق بكسل جهاز العرض الذي تم تحديده مسبقاً. تابع بالنقر فوق تحديد المنطقة (define Area). يتيح مربع الحوار ضبط خصائص النمط المسقط.

من القائمة المنسدلة لنوع الإشارة (Signal Type)، اختر موجة جيبية (Sine Wave). ولتحديد الموجة الجيبية، اضبط حقل إزاحة الطور (Phase Shift) على صفر درجة. بالإضافة إلى ذلك، قم بتعيين التردد بالهرتز.

اضبط السعة (Amplitude) على الحد الأقصى. بعد ذلك، انتقل إلى حقل الجهد (Voltage) لإدخال جهد الليزر بوحدة الفولت. وفي حقل الصور لكل دورة (Pictures per period)، أدخل القيمة التي تم حسابها مسبقاً.

انقر فوق "التالي". اتبع خطوات مماثلة لإنشاء مستطيل ثانٍ بلون مختلف وبإزاحة طور تبلغ 180 درجة. قم بمعاينة تسلسل الصور باستخدامها في شريط تمرير المعاينة.

بعد ذلك، اضغط على Start لبدء التجربة. تتحرك منصة الإزاحة ببطء لنقل العينة عبر النطاق المختار لتعريض مناطق مختلفة للإضاءة المهيكلة المتذبذبة المسقطة. يبلغ إجمالي وقت العبور لهذه التجربة 200 seconds.

أثناء تحرك العينة، تقوم الكاميرا ذات الأشعة تحت الحمراء الحرارية بالتقاط صور حرارية بتردد 40 هيرتز. ويوفر هذا التسلسل من الصور الحرارية مثالاً على مجالات الموجات الحرارية الناتجة عن الإضاءة. أوقف التجربة عند الانتهاء من التقاط جميع الإطارات.

لإجراء المعالجة البعدية اللازمة، قم بتحميل أطر البيانات في برنامج المعالجة البعدية. وبعد تحويل البيانات، أدخل إحداثيات نقطة الإسقاط التي تم إيجادها مسبقاً. انقر فوق "Transform" لوضع البيانات في نطاق بكسل جهاز العرض.

لاستخراج معلومات درجة الحرارة، حدد خط النضوب عن طريق إدخال إحداثيات نقطتين. أدخل معلمات السرعة في موضع البداية للعينة أثناء التجربة. أدخل أيضاً معدل الإطارات (FrameRate) للكاميرا التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء وتردد (Frequency) الموجة الجيبية للنمط.

وأخيراً، تأكد من أن معلمات ما بعد معالجة البيانات صحيحة. وعندما تكون جاهزاً، انقر فوق "Evaluate". سيظهر موضع الشق في الحقل المظلل.

جُمعت هذه البيانات من عينة اختبار بها عيب عند عمق تقريبي يبلغ 1/4 من المليمتر. تم تحريك العينة بسرعة 0.05 مليمتر في الثانية. ويمثل المنحنى الأسود درجة الحرارة كدالة في الزمن، والموضح على طول المحور الأفقي العلوي.

يمكن أيضًا تحويل الزمن إلى موضع على طول المحور السفلي. يمثل المنحنى الأحمر المتصل ملاءمة للزيادة غير التذبذبية في درجة الحرارة. ويشير الخط الأحمر المتقطع إلى موضع العيب.

إليك ذات البيانات بعد إجراء معالجة لاحقة إضافية. يمثل المنحنى الأزرق منحنى هيلبرت، ويظهر العيب عند أدنى قيمة له. جُمعت هذه البيانات بعد مضاعفة سرعة المسح لتصل إلى 0.1 millimeters per second.

بالمقارنة مع القياس الأول، يظل الاستطالة كما هو ولكن يقل تردد التذبذب. لاحظ أنه تم نقل العينة إلى موقع جديد وهو ما ينعكس في القياسات. عندما يتم استخدام البروتوكول مع وجود عيب على عمق 1 millimeter تحت السطح، لا يزال من الممكن تحديد موقعه ولكن بدرجة أكبر من عدم اليقين. يستخدم كلا المخططين بيانات تم جمعها بسرعة مسح تبلغ 0.1 millimeters في الثانية.

بعد تطويرها، مهدت هذه التقنية الطريق للباحثين في مجال الاختبارات غير التدميرية لاستكشاف استخدام الإضاءة المهيكلة. وباتباع هذا الإجراء، يمكن استخدام أنماط إضاءة أخرى وأكثر تعقيداً من أجل العثور على أنواع أخرى من العيوب. وحتى الآن، تم اختبار الفولاذ فقط، إلا أن هذه الطريقة واعدة للغاية، خاصة بالنسبة للبلاستيك والمواد المركبة والمواد الأخرى شديدة الحساسية نظراً لانخفاض الإجهاد الحراري المطبق.

تتمثل نقطة الاختناق في الإعداد التجريبي الحالي في حد الإجهاد الحراري لمعدل الضوء المكاني. لهذا السبب، يجب علينا الاهتمام بوقت القياس، والذي ينبغي ألا يتجاوز دقيقتين إلى ثلاث دقائق. وحتى الآن، تم توليد مصدرين حراريين متكاملين فقط.

ولكن من حيث المبدأ، يمكن باستخدام هذا الإعداد توليد والتحكم في ما يصل إلى مليون مصدر حراري، مما يفتح مجالاً آخر لتشكيل الموجات الطبيعية التعسفية. بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية تحديد أماكن العيوب تحت السطحية باستخدام التصوير الحراري الفوتو-حراري المسقط بالليزر. لا تنسَ أن العمل باستخدام ليزر تحت أحمر عالي القدرة من الفئة الرابعة يمكن أن يكون خطيراً للغاية، وأنه يجب دائماً اتخاذ الاحتياطات اللازمة مثل ارتداء نظارات الحماية من الليزر.