Name: 使用激光投射光热法构造加热的地下缺陷定位 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-05-15T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 34 s
Description: 学习激光投射光热法无损检测钢材内部缺陷，利用结构化加热与高分辨率热成像技术精确定位垂直取向的亚表面裂纹。该方法对微小深层缺陷具有高灵敏度，适用于材料科学和非破坏性测试研究。

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我们感谢Taarna Studemund和Hagen Wendler拍摄实验装置照片，并将其整理用于图表发表。此外，我们感谢Anne Hildebrandt进行样品制备，感谢Sreedhar Unnikrishnakurup、Alexander Battig和Felix Fritzsche对文稿的校对。

<ol><li>Thiel, E., Kreutzbruck, M., Ziegler, M. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.4963139?journalCode=apl">Laser-projected photothermal thermography using thermal wave field interference for subsurface defect characterization.</a> Appl. Phys. Lett. 109 (12), 123504(2016).</li>
<li>Ibarra-Castanedo, C., Tarpani, J. R., Maldague, X. P. V. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0143-0807/34/6/S91/meta">Nondestructive testing with thermography.</a> Eur. J. Phys. 34 (6), 91-109 (2013).</li>
<li>Maldague, X. P. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/228794492_Introduction_to_NDT_by_active_infrared_thermography">Introduction to NDT by active infrared thermography.</a> Mater. Eval. 60 (9), 1060-1073 (2002).</li>
<li>Li, T., Almond, D. P., Rees, D. A. S. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0963869510001076">Crack imaging by scanning pulsed laser spot thermography.</a> Ndt&E Int. 44 (2), 216-225 (2011).</li>
<li>Lugin, S. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0963869513000315">Detection of hidden defects by lateral thermal flows.</a> Ndt&E Int. 56, 48-55 (2013).</li>
<li>Li, T., Almond, D. P., Rees, D. A. S. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0957-0233/22/3/035701/meta">Crack imaging by scanning laser-line thermography and laser-spot thermography.</a> Meas. Sci. Technol. 22 (3), (2011).</li>
<li>Pech-May, N. W., Oleaga, A., Mendioroz, A., Salazar, A. <a target="_blank" href="http://link.springer.com/article/10.1007/s10921-016-0344-x">Fast Characterization of the Width of Vertical Cracks Using Pulsed Laser Spot Infrared Thermography.</a> Journal of Nondestructive Evaluation. 35 (2), 22(2016).</li>
<li>Thiel, E., Kreutzbruck, M., Ziegler, M. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aThiel%2C+E+%22Proc.+SPIE+9761%22">Proc. SPIE 9761</a>. Douglass, M. R., King, P. S., Lee, B. L. , Spie-Int Soc Optical Engineering. (2016).</li>
<li>Thiel, E., Kreutzbruck, M., Ziegler, M. <a target="_blank" href="https://www.wcndt2016.com/">Proc. WCNDT 2016</a>. , 6(2016).</li>
<li>Mandelis, A. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aMandelis%2C+A+%22Diffusion-Wave+Fields%3A+mathematical+methods+and+Green+functions%22">Diffusion-Wave Fields: mathematical methods and Green functions</a>. , Springer-Verlag. (2001).</li>
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<li>Bennett, C. A., Patty, R. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermal+wave+interferometry%3A+a+potential+application+of+the+photoacoustic+effect%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Opt%22%5BJournal%5D)">Thermal wave interferometry: a potential application of the photoacoustic effect.</a> Appl. Opt. 21 (1), 49-54 (1982).</li>
<li>Busse, G. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.93942?journalCode=apl">Stereoscopic depth analysis by thermal wave transmission for nondestructive evaluation.</a> Appl. Phys. Lett. 42 (4), 366(1983).</li>
<li>Holtmann, N., Artzt, K., Gleiter, A., Strunk, H. P., Busse, G. <a target="_blank" href="http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/17686733.2012.741919">Iterative improvement of Lockin-thermography results by temporal and spatial adaption of optical excitation.</a> Qirt J. 9 (2), 167-176 (2012).</li>
<li>Pribe, J. D., Thandu, S. C., Yin, Z., Kinzel, E. C. <a target="_blank" href="http://proceedings.spiedigitallibrary.org/proceeding.aspx?articleid=2522861">Toward DMD illuminated spatial-temporal modulated thermography.</a> Proc. SPIE 9861. , (2016).</li>
<li>Ravichandran, A. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Spatial+and+temporal+modulation+of+heat+source+using+light+modulator+for+advanced+thermography%22">Spatial and temporal modulation of heat source using light modulator for advanced thermography</a>. , Missouri University of Science and Technology. (2015).</li>
<li><a target="_blank" href="http://www.mouser.com/ds/2/405/dlps013d-261248.pdf">DLP 0.55 XGA Series 450 DMD</a>. , TexasInstruments. (2015).</li>
<li>Application Note - DLP System Optics. , TexasInstruments. Available from: 
 <a target="_blank" href="http://www.ti.com/general/docs/lit/getliterature.tsp?baseLiteratureNumber=dlpa022&keyMatch=dlpa022&tisearch=Search-EN-Everything">http://www.ti.com/general/docs/lit/getliterature.tsp?baseLiteratureNumber=dlpa022&keyMatch=dlpa022&tisearch=Search-EN-Everything</a> (2010).</li>
<li>DLP LightCommander Control Software - User Manual. , LogicPD. Available from: 
 <a target="_blank" href="https://support.logicpd.com/ProductDownloads/LegacyProducts/DLPLightCommander.aspx?_sw_csrfToken=318b0448">https://support.logicpd.com/ProductDownloads/LegacyProducts/DLPLightCommander.aspx?_sw_csrfToken=318b0448</a> (2011).</li>
<li>White Paper - Laser Power Handling for DMDs. , TexasInstruments. Available from: 
 <a target="_blank" href="http://www.ti.com/general/docs/lit/getliterature.tsp?literatureNumber=dlpa027&fileType=pdf">http://www.ti.com/general/docs/lit/getliterature.tsp?literatureNumber=dlpa027&fileType=pdf</a> (2012).</li>
<li>Moench, H., et al. <a target="_blank" href="http://proceedings.spiedigitallibrary.org/proceeding.aspx?articleid=2206439">High-power VCSEL systems and applications.</a> Proc. SPIE 9348. , (2015).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

本方案描述了如何定位垂直于表面的人工亚表面缺陷。该方法的核心思想是产生相互干涉的热波场，并使其与亚表面缺陷发生相互作用。其中最关键的步骤包括：（i）将空间光调制器（SLM）与二极管激光器结合，以在样品表面生成两个交替的高功率照明图案；这些图案通过光热转换产生相干的热波场；（ii）使这些热波场在与亚表面缺陷相互作用时发生相消干涉；（iii）利用热成像红外相机对样品表面的动态温度进行扫描，从而定位这些缺陷。由于该方法仅需检测温度相对于缓慢变化的平均值的相对振荡，而无需测量绝对温度值，因此对隐藏缺陷具有极高的灵敏度1。
在使用SLM耦合激光源进行结构化加热时，该方案中最关键的步骤之一是确保照明光束轮廓具有足够的均匀性（参见步骤1.10）。半导体激光器可提供高辐照度，但必须以正确的光束直径和方向性输入至包含SLM的投影仪中。由于与投影仪内部专有光路存在轻微且不可避免的几何和光谱失配，样品上的生成图像会发生畸变。因此，需通过参考光束轮廓测量对控制投影图像的图像强度值进行数值校正。成功实验的第二个关键步骤是实现红外图像的高空间分辨率（参见步骤3....

激光投影光热热成像（LPPT）方法用于定位嵌入在试样内部且主要垂直于其表面的亚表面缺陷。
该方法利用两个相位相反、振幅和频率相同的热波场之间的相消干涉，如图1b所示。在各向同性且无缺陷的材料中，热波通过相干叠加在对称平面处发生相消干涉（即温度振荡为零）。当材料中存在亚表面缺陷时，该方法利用瞬态热流的横向（即面内）分量与该缺陷之间的相互作用。这种相互作用可在样品表面的对称线上测得一个重新产生的振荡温度振幅。此时，通过叠加的热波场对含有缺陷的样品进行扫描，并测量温度振幅随样品位置的变化关系。由于对称性，当缺陷穿过对称平面时，相消干涉条件再次得到满足，从而可高灵敏度地定位缺陷。此外，由于相消干涉最大扰动程度与缺陷深度相关，因此可通过分析温度扫描曲线来确定缺陷的深度1。
激光局部热激励测温法（LPPT）属于主动热成像方法，这是一种成熟的无损检测技术，通过主动产生瞬态加热，并利用红外热像仪测量由此产生的瞬态温度分布。通常情况下，该方法对缺陷的检测灵敏度仅限于那些取向基本垂直于瞬态热流方向的缺陷。此外，由于控制瞬态热传导的方程是一个抛物型偏微分方程，热量向材料内部的传播会受到强烈衰减。因此，主动热成像方法的探测深度仅限于近表面区域，通常在毫米量级。最常见的两种主动热成像技术是脉冲热成像和锁相热成像。由于采用平面光学表面照明，这两种技术检测速度快2，但产生的热流方向垂直于样品表面。因此，这些技术对缺陷的灵敏度主要局限于那些主要平行于加热表面的缺陷（例如分层或孔洞）。脉冲热成像的一个经验法则是：“可检测到的最小缺陷的半径应至少为其表面下埋深的1至2倍”3。为了增加垂直取向缺陷（例如裂纹）与热流之间的有效相互作用面积，必须改变热流的方向。通过使用聚焦激光器产生线状或环状光斑进行局部激励，可生成具有面内分量的热流，从而有效与垂直取向的缺陷发生相互作用4,5,6,7。
在本方法中，我们同样利用横向热流分量来检测亚表面缺陷，但采用了热波可叠加的特性，而缺陷（尤其是垂直取向的缺陷）会破坏这种叠加。因此，本方法呈现出一种无需参考、对称且极为灵敏的特点，能够检测宽度与深度比远小于1的人工亚表面缺陷8,9。迄今为止，生成两个反相且能量充足的热波场一直存在困难。我们通过将空间光调制器（SLM）与高功率二极管激光器耦合，成功实现了这一目标，从而将激光系统的高光功率与SLM的空间和时间分辨率相结合，构建出一个高功率投影系统（见图2）。热波场通过投影图像像素亮度对两个反相正弦调制线图案进行光热转换而产生（见图2、图1a）。这导致样品表面产生结构化加热，进而形成明确定义的、相互 destructive interference（相消干涉）的热波场。为了发现亚表面缺陷，利用红外相机测量表面因相消干涉受扰而产生的温度振荡。
热波这一术语存在争议，因为热传播具有扩散特性，热波并不会传输能量。然而，在周期性加热时会出现类似波的行为，使我们能够利用真实波动与扩散过程之间的相似性10,11,12因此，热波可以被理解为在传播方向上具有高度衰减性，但在时间上呈周期性图1b）。特征热扩散长度 <img alt="热扩散率方程 μ=√(k/(πfρcp))；用于热传导分析的公式。" src="/files/ftp_upload/55733/55733eq1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="公式 1"> 其材料特性（导热系数）在此予以描述 k，热容 cp 和密度 ρ），以及激发频率 ƒ。尽管热波衰减显著，但其波动特性仍可用于深入了解样品的性质。热波干涉的首次应用是用来测定薄膜层的厚度。与我们的方法不同，该干涉效应被应用于深度方向（即 垂直于表面13通过将激光束在二维方向上进行分束，利用热波干涉对亚表面缺陷进行尺寸测量。14然而，该方法采用透射构型，这意味着其受限于热波的穿透深度。此外，由于仅使用了一个激光源，该方法依赖于相长干涉，因此需要一个无缺陷的参考样品。除了利用热波干涉的思路之外，Holtmann 首次实现了对加热过程在空间和时间上的精确控制。 等 使用未改装的液晶显示器（LCD）投影仪及其内置光源，其光学输出功率受到严重限制15Pribe 和 Ravichandran 提出的进一步方法旨在通过将激光器也耦合到空间光调制器（SLM）来提高光学输出功率16,17.
本文所述方案介绍如何应用LPPT方法定位垂直于钢样品表面的亚表面缺陷。该方法尚处于初级阶段，但已具备足够能力验证所提出的方法；然而，其实验装置可实现的光输出功率仍存在局限性。由于提高光输出功率仍是一项挑战，因此本方法应用于含有电火花加工人工刻槽的涂层钢样品。尽管如此，该方案中最为重要且最关键的步骤——生成均匀的结构化照明、满足热波破坏性干涉的前提条件以及缺陷定位——对于更具挑战性的缺陷同样适用。由于该方法的主导参数为热扩散长度μ，因此LPPT方法也可适用于多种不同材料。
<img alt="静态平衡示意图；方程 P₀/2*sin(ωt)+P₀/2；结果为随时间变化的温度 T[K] 三维图。" src="/files/ftp_upload/55733/55733fig1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图1"> 
图1：相消干涉效应原理。（a）实验中所用照明模式的示意图。样品通过两个具有π相位差的周期性照明图案在空间和时间上被加热。虚线表示两个图案之间的对称线，该线将用于评估，称为“耗尽线”。（b）根据热传导方程解析解计算得到的空间和时间分辨交替热响应示意图。图中显示了对（a）中照明的热波响应，两个图案的辐照度分别为 Popt1 = 1.5 W sin(2π 0.125 Hz t) + 1.5 W 和 Popt2 = 1.5 W sin(2π 0.125 Hz t + π) + 1.5 W，材料为结构钢，其密度 ρ = 7,850 kg/m3，比热容 cp = 461 J/(kg·K)，导热系数 k = 54 W/(m·K)。虚线处的温度分布表明，对于均匀且各向同性的材料，无热振荡现象。<a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55733/55733fig1large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="用于光子分析的结构化加热装置示意图，包含激光器、空间光调制器和红外相机。" src="/files/ftp_upload/55733/55733fig2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图 2"> 
图 2：主动热成像中所用结构化加热测量原理示意图。 经均化为平顶分布的高斯光束被投射到空间光调制器（SLM）上。SLM通过其可切换的单元实现光束在空间上的调控，同时通过其切换速度实现时间上的调控。每个单元对应一个SLM像素。在本实验中，SLM为数字微镜器件（DMD）。通过时间确定性控制软件对像素亮度A进行调制，从而以结构化方式加热样品表面。在本实验中，我们调制两条反相位的线（相位：φ = 0，π），它们在角频率ω处产生相干干涉的热波场。这些波场与样品内部结构相互作用，进而影响表面的温度场。该温度场通过中波红外相机检测其热辐射进行测量。<a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55733/55733fig2large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>

<table><tbody><tr><td>500 W 二极管激光系统，940 nm</td><td>Laserline</td><td>LDM 500 - 20</td><td>650 nm 二类激光指示器&amp;nbsp;纳米，二极管激光器为4类激光系统——&gt; 无需特殊实验室</td></tr><tr><td>激光控制箱</td><td>Laserline</td><td>激光控制箱 LDM</td><td>激光系统附加功能，用于电子切换，激光阈值，快门，激光开启 0 V–5 V TTL</td></tr><tr><td>控制箱扫描仪</td><td>Laserline</td><td></td><td>通过模拟信号调节激光系统的光学输出功率，范围从 0 开始&amp;nbsp;V..10 V</td></tr><tr><td>光纤激光器支架 2&quot;，f = 80 mm</td><td>Laserline</td><td></td><td>激光系统的扩展</td></tr><tr><td>多功能数据采集（DAQ）设备 + BNC接线端子</td><td>National Instruments</td><td>NI-USB 6251</td><td>DAQ 卡用于触发红外（IR）相机，&amp;nbsp; DLP Light Commander 5500，控制激光器和二极管PDA 36A</td></tr><tr><td>标准 - 个人电脑&amp;nbsp;</td><td></td><td></td><td>控制计算机——支持双屏幕的显卡，至少4个USB接口，基于Windows系统</td></tr><tr><td>BNC 电缆</td><td></td><td></td><td>标准电缆</td></tr><tr><td>HDMI 线缆</td><td></td><td></td><td>标准电缆</td></tr><tr><td>Micro USB 转 USB 数据线</td><td></td><td></td><td>标准电缆</td></tr><tr><td>LabVIEW 2013 SP1 开发系统</td><td>National Instruments</td><td></td><td>设备控制的开发环境</td></tr><tr><td>LPPT 控制软件</td><td>BAM</td><td></td><td>LabVIEW 2013 SP1 的 LPPT 软件包的一部分</td></tr><tr><td>LPPT 强度&amp;nbsp; 软件</td><td>BAM</td><td></td><td>LabVIEW 2013 SP1 的 LPPT 软件包的一部分</td></tr><tr><td>LPPT 激光控制软件</td><td>BAM</td><td></td><td>LabVIEW 2013 SP1 的 LPPT 软件包的一部分</td></tr><tr><td>Matlab 2016b</td><td>MathWorks</td><td></td><td>测量数据的后处理</td></tr><tr><td>LPPT 后处理软件</td><td>BAM</td><td></td><td>测量数据的后处理</td></tr><tr><td>红外相机控制电脑</td><td>InfraTec</td><td></td><td>控制计算机由相机供应商提供</td></tr><tr><td>红外相机控制软件</td><td>InfraTec</td><td>Irbis 3 Professional</td><td></td></tr><tr><td>InfraTec SDK</td><td>InfraTec</td><td></td><td>动态链接库作为 Infratec 原生数据采集格式与 Matlab 之间的接口</td></tr><tr><td>红外相机</td><td>InfraTec</td><td>Image IR 8300</td><td>640 × 512，制冷型InSb探测器，波长2&amp;nbsp;&amp;micro;m..5.7 &amp;micro;m，噪声 = 20&amp;nbsp;mK + 配件（网线、数字输入/输出电缆、间隔环、电源、机箱）</td></tr><tr><td>三脚架</td><td>曼富图</td><td>161MK2B</td><td></td></tr><tr><td>红外相机支架</td><td>曼富图</td><td>405</td><td></td></tr><tr><td>用于数字光处理（DLP）技术的投影仪开发套件（PDK）（DLP Light Commander 5500）</td><td>Logic PD</td><td>DLP-LC-DLP5500-10R</td><td>包含德州仪器（Texas Instruments）的 DLP5500 数字微镜器件，需拆卸光机和外壳</td></tr><tr><td>PDK 控制软件</td><td>Logic PD</td><td></td><td>交付时包含，DLP Light Commander 控制软件</td></tr><tr><td>PDK的机械平台</td><td>BAM</td><td></td><td>自制（140 × 230 × 420）mm&lt;sup&gt;3&lt;/sup&gt;</td></tr><tr><td>功率计控制单元</td><td>Ophir</td><td>Vega</td><td>USB接口</td></tr><tr><td>30 W 功率计探头&amp;nbsp;</td><td>Ophir</td><td>30(150)A-LP1-18</td><td>用于测定投影系统透射率的功率计探头</td></tr><tr><td>500 W 功率计探头</td><td>Ophir</td><td>FL500A</td><td>用于过程监控的功率计</td></tr><tr><td>运动控制器</td><td>Newport</td><td>ESP301</td><td>带USB接口</td></tr><tr><td>平移台</td><td>Newport</td><td>M-ILS200CC</td><td>与 ESP301 连接</td></tr><tr><td>带放大器的光电二极管</td><td>Thorlabs</td><td>PDA 36A-EC</td><td>1&quot; 安装</td></tr><tr><td>反射滤光片 ND1</td><td>Thorlabs</td><td>ND10A</td><td>安装至 PDA 36A</td></tr><tr><td>针孔1&quot;</td><td>Thorlabs</td><td>P1000S</td><td>安装至 PDA 36A</td></tr><tr><td>光学铝制平台&amp;nbsp;</td><td>Thorlabs</td><td>MB60120/M</td><td>（1,200 mm × 900 mm）基板</td></tr><tr><td>平凸透镜 f = 200 mm</td><td>Thorlabs</td><td>LA1979-B</td><td>用于红外的镀膜，第一级望远镜透镜</td></tr><tr><td>平凸透镜 f = 75 mm</td><td>Thorlabs</td><td>LA1145-B</td><td>用于红外的镀膜，第二望远镜透镜</td></tr><tr><td>xy-平移台</td><td>Newport</td><td>M401</td><td>用于调节望远镜</td></tr><tr><td>分束器</td><td>Thorlabs</td><td>BSF20-B&amp;nbsp;</td><td>分光输出，用于降低投影系统的光学输入</td></tr><tr><td>镜子</td><td>Thorlabs</td><td>BB2-E03</td><td>用于将光束耦合至DLP Light Commander的反射镜</td></tr><tr><td>重型实验室升降台</td><td>Thorlabs</td><td>L490</td><td>用于光纤安装架及线性平台顶部以固定样品（2个）</td></tr><tr><td>PDK-目标&amp;nbsp;</td><td>尼康</td><td>尼康 AF Nikkor 50 mm 1:1:8:D&amp;nbsp;</td><td>DLP Light Commander 的目标，50 毫米</td></tr><tr><td>平凸透镜 f = 100 mm</td><td>Thorlabs</td><td>LA1050 -B</td><td>镜头已安装至尼康物镜</td></tr><tr><td>双凸透镜 f = 60&amp;nbsp;mm</td><td>Thorlabs</td><td>LB1723 -B</td><td>用于连接尼康物镜的透镜，以使用30 W测量头测定光学透过率</td></tr><tr><td>方形保护金镜</td><td>Thorlabs</td><td>PFSQ20-03-M01</td><td></td></tr><tr><td>高功率红外传感器卡</td><td>Newport</td><td>F-IRC-HP-M</td><td>用于检查光路的传感器卡</td></tr><tr><td>2&quot; 十字准线</td><td>BAM</td><td></td><td>自制</td></tr><tr><td>1&quot; 十字线</td><td>BAM</td><td></td><td>自制</td></tr><tr><td>靶心水平</td><td>Thorlabs</td><td>LCL01</td><td></td></tr><tr><td>扫描平台</td><td>Newport</td><td>M-UMR8.25</td><td>用于测量光束轮廓</td></tr><tr><td>千分尺螺钉</td><td>Newport</td><td>DM17-25</td><td>与 M-UMR8.25 型平移台配合使用</td></tr><tr><td>安装式零孔径光阑</td><td>Thorlabs</td><td>ID75Z/M</td><td>用于检查光路</td></tr><tr><td>基座与支架杆基本套装，公制与通用组件</td><td>Thorlabs</td><td>ESK01/M</td><td>基础</td></tr><tr><td>帖子 &amp;安培；附件基本套件，公制和通用组件</td><td>Thorlabs</td><td>ESK03/M</td><td></td></tr><tr><td>M6 内六角圆柱头螺钉及紧固件套装</td><td>Thorlabs</td><td>HW-KIT2/M</td><td></td></tr><tr><td>构造导轨</td><td>Thorlabs</td><td>XE25L700/M</td><td></td></tr><tr><td>1&quot; 构建立方体</td><td>Thorlabs</td><td>RM1G</td><td>用于安装构造导轨</td></tr><tr><td>电火花加工</td><td>Sodick</td><td>AG60L</td><td>www.sodick.de</td></tr><tr><td>St37 钢块&lt;br /&gt;(100 × 100 × 40) mm&lt;sup&gt;3&lt;/sup&gt;</td><td>BAM</td><td></td><td>自制的隐藏缺陷，剩余壁厚为0.25&amp;nbsp;毫米，0.5 毫米，0.70 毫米，1.25&amp;nbsp;毫米（如图所示） &lt;strong&gt;图5&lt;/strong&gt;)</td></tr><tr><td>St37 钢块&lt;br /&gt;(100 × 100 × 40) mm</td><td>BAM</td><td></td><td>自制的隐藏缺陷，剩余壁厚为1&amp;nbsp;毫米，1.5&amp;nbsp;毫米，1.75 毫米，2 毫米（如图所示） &lt;strong&gt;图5&lt;/strong&gt;)</td></tr><tr><td>石墨喷雾</td><td>CRC Industries Europe NV</td><td>GRAPHIT 33</td><td>Ref. 20760，200 mL 喷雾剂（Kontakt-Chemie）</td></tr><tr><td>保护胶带</td><td>Tesa</td><td>tesakrepp 4348</td><td>用于在涂覆过程中保护隐藏缺陷</td></tr></tbody></table>

利用激光投影光热成像技术通过结构化加热实现亚表面缺陷定位

Subsurface Defect Localization by Structured Heating Using Laser Projected Photothermal Thermography

本方法用于定位垂直于表面的亚表面缺陷。为实现这一目标，我们构建了具有破坏性干涉的热波场，当热波场受到缺陷扰动时，通过测量该效应来确定缺陷位置。我们使用经过改造的投影仪来生成具有破坏性干涉的波场，将投影仪原有的光源替换为光纤耦合的高功率二极管激光器。通过首先表征激光束的光束轮廓，然后进行机械和数值校正，对激光束进行整形和准直，使其与投影仪的空间光调制器匹配，从而实现最佳的光学透过率和均匀的投影效果。根据严格的几何条件（包括对几何图像畸变的校正）以及检测样品表面微弱温度振荡的需求，配置高性能红外（IR）相机。在建立各个热波场源、扫描平台与红外相机之间的同步后，即可进行数据采集，该同步需通过专门的实验装置实现，并根据所研究的具体材料进行调谐。在数据后处理过程中，提取样品表面下方存在缺陷的相关信息。这些信息来源于样品表面所谓耗尽线区域所采集热辐射中的振荡部分。最终通过分析这些振荡信号的时空分布特征，推断出缺陷的精确位置。该方法无需参考样本，且对热波场内的变化极为敏感。目前该方法已在钢样品上进行了测试，但同样适用于其他材料，特别是对温度敏感的材料。

根据实验方案，选择在深度为0.25 mm处具有亚表面缺陷的钢样侧面1以获取代表性结果。实验开始时，缺陷大致位于照明区域的中心位置。随后，样品通过线性平台以0.05 mm/s的速度从-5 mm移动至5 mm。利用这些参数，图11a展示了从耗尽线提取后的扫描数据。在此阶段，由于红外相机控制软件可提供原始数据预览（可选：使用线工具预览数据，参见图8，步骤i.4），实验的成功与否可被初步评估。经过进一步的信号后处理后，图11b显示缺陷位于0.3 mm处Hilbert曲线（蓝色）的最小值位置。
为验证实验结果，曲线应具备以下特征：曲线应对称，在对称面处出现明显的最小值，且在该最小值左右两侧各有一个相等的最大值。最大值的出现是由于缺陷处热量积聚，导致其中一个线热源的热流占主导地位。当缺陷靠近对称面时，这一现象尤为明显。缺陷会形成热流屏障，因此我们...

该方法旨在定位垂直的地下缺陷。在此，我们将激光器与空间光调制器耦合，并触发其视频输入，以两束相位相反的调制线对样品表面进行确定性的加热，同时采集高分辨率的热图像。通过分析热波干涉极小值，可确定缺陷的位置。

所介绍的方法用于定位垂直于表面的亚表面缺陷。为实现这一目的，我们构建具有破坏性干涉的……

本方法的总体目标是采用结构化加热和高分辨率热成像技术，以非破坏性、非接触的方式定位垂直于钢样品表面的亚表面缺陷。该方法有助于解答热成像领域中的关键问题，例如，缺陷小到何种程度或深至何种位置仍可被检测到。该技术的主要优势在于，我们能够生成在观察平面内传播的热波场，从而使该方法对垂直取向的缺陷具有高度敏感性。这种激光投影式光热热成像系统安装在台式光学实验平台上，且已完成实验所需的各种主要前期准备工作。在光路前端是激光光源。激光光纤由激光光纤支架固定。随后，望远镜将激光束的直径缩小至适合后续光路的尺寸。在分束采样器后方，一个500瓦的功率计探头吸收了大部分光束能量，从而使激光器能够以全功率运行。光束从分束采样器出发，经由反射镜继续传输至一个投影仪开发套件。该套件是由一款商用投影仪拆解而成，其光源引擎和镜头已被移除。进行实验时，准直光束使其进入投影仪。光束穿过投影仪后，将照射到安装在计算机控制平移台上的样品。为完成此装置，需准备一个焦距为100毫米的透镜用于投影仪。在平移阶段之前，将透镜连接到投影仪物镜上。接下来，使用LED手电筒作为投影仪的输入光源。将一张白纸放在物镜前方，并移动白纸直至纸上出现清晰明亮的矩形光斑，以指示像平面的位置。此时，获取用于实验的样品。将样品安装在配备有升降架的线性平移台的光路中。使用升降架抬升样品，使其顶部与投射矩形的顶部对齐。确保缺陷位于图像平面的照明区域内。接下来，准备进行红外摄影，首先取一个安装在支架上的金镜。该金镜将把散射的光束反射到相机上。将镜子安装在靠近投影仪的支架上，使其反射样品的上边缘，并调整角度以尽可能观察到更多的样品表面。从镜子反射的光线将进入安装在三脚架上的红外相机。将其置于投影物镜的高度，使其通过金镜观察到投射的白色图像。设置相机由计算机控制，并预热。连接相机与其控制软件后，取一把钢尺。将直尺置于样品表面，并手动调节相机焦距使其对焦。钢制直尺与样品之间的温度差异有助于对焦。请仔细调整以获得最清晰的图像。最关键的步骤之一是在样品表面实现足够的横向分辨率。这一点非常重要，因为必须能够分辨出耗尽线。使用激光软件将激光电压设置为10伏，并启动激光器。使用相机软件调整投影仪与相机之间的关系。在顶部选项中选择“测量”。进入测量区域工具栏，选择十字工具选项。激光开启时会出现热成像。使用工具通过在画面上单击左键标记图像的四个角，然后记录坐标。必须为实验配置相机控制软件。首先切换到相机面板。然后点击远程按钮以打开远程控制面板。在下拉菜单中，选择 Process-IO 选项。然后，继续点击“同步输入”选项和“门控”选项。之后关闭菜单。在采集参数选项卡中，打开采集菜单。从下拉菜单中选择外部同步。在“文件夹”字段中提供文件和文件夹名称。然后转到“计数”字段，输入先前计算得到的帧数，然后关闭采集菜单。通过选择“Record”开始相机数据采集。此时，切换到实验控制软件，点击“Activate”以激活运动控制器。接下来，以毫米为单位编辑起始和结束位置，以包含扫描中的缺陷。然后输入速度，单位为毫米每秒。单击开始测量。单击“选择区域颜色”字段。在颜色对话框中，为图案区域选择一种颜色。转到绘图工具栏并选择矩形工具。移动到图像区域，使用工具创建一个与先前确定的投影仪像素区域一致的矩形。然后点击“定义区域”。在弹出的对话框中可设置投影图案的属性。在“信号类型”下拉菜单中选择正弦波。为定义正弦波，将“相位偏移”字段设置为零度。此外，设置频率（单位为赫兹）。将振幅设置为最大值。接着，在电压字段中输入以伏特为单位的激光电压。在“每周期图像数”字段中，输入先前计算得到的数值。单击“下一步”。按照类似的步骤创建另一个颜色不同且相位偏移180度的矩形。使用预览滑块查看这些图像的序列。然后点击“开始”以启动实验。平移台将缓慢移动样品通过选定范围，使不同区域暴露于投射的振荡结构照明光下。本实验的总通过时间为200秒。当样品移动时，热红外相机以 40 赫兹的频率采集热图像。该序列热图像展示了由光照产生的热波场示例。当所有帧采集完成后，停止实验。为了执行必要的后处理操作，请在后处理软件中加载数据帧。数据转换完成后，插入先前找到的投影点坐标。单击“变换”以将数据转换至投影仪像素域。为了提取温度信息，通过输入两个点的坐标来定义耗尽线。输入实验过程中样品起始位置的速度参数。同时输入红外相机的帧率（FrameRate）以及图案正弦波的频率（Frequency）。最后，确保数据后处理参数正确。准备就绪后，点击“Evaluate”。裂纹位置将显示在高亮区域中。这些数据来自一个缺陷深度约为0.25毫米的测试样品。样品以每秒0.05毫米的速度移动。黑色曲线表示温度随时间的变化，时间沿顶部的水平轴显示。时间也可以转换为底部轴上的位置。实线红色曲线是对温度非振荡性上升的拟合结果。红色虚线表示缺陷的位置。这是经过进一步后处理后的相同数据。蓝色曲线为希尔伯特曲线，其缺陷处于最小值。这些数据是在将扫描速度提高一倍至0.1毫米每秒后采集的。与第一次测量相比，伸长量相同，但振荡频率降低。需要注意的是，样品已被移至一个新位置，这在测量结果中有所体现。当该方案用于检测表面下方一毫米处的缺陷时，仍可确定其位置，但不确定性增大。这两幅图均使用扫描速度为0.1毫米每秒时采集的数据。该技术发展之后，为无损检测领域的研究人员探索结构照明的使用铺平了道路。通过采用此方法，可使用其他更复杂的照明模式，以发现其他类型的缺陷。迄今为止仅对钢材料进行了测试，但该方法前景十分广阔，尤其适用于塑料、复合材料及其他对热应力敏感的材料，因为其所施加的热应力较低。当前实验装置的瓶颈在于空间光调制器的热应力极限。因此，我们必须注意测量时间，不应超过两到三分钟。迄今为止，仅生成了两个整体热源。但原则上，利用此装置可生成并控制多达一百万个热源，从而开辟了任意正交波形调控的另一研究领域。观看本视频后，您应能够充分理解如何使用激光投射式光热红外热成像技术来定位亚表面缺陷。请务必注意，操作四类高功率红外激光器可能极为危险，必须采取相应预防措施，例如始终佩戴激光防护眼镜。

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使用激光投射光热法构造加热的地下缺陷定位

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