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Methodenartikel

Untergrundfehler-Lokalisierung durch strukturierte Erwärmung mittels laserprojektierter photothermischer Thermografie

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DOI:

10.3791/55733

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15. Mai 2017

 , 
1Department for Non-Destructive Testing, Thermographic Methods, Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Diese Methode zielt darauf ab, vertikale Untergrunddefekte zu lokalisieren. Hier koppeln wir einen Laser mit einem räumlichen Lichtmodulator und lösen seinen Videoeingang aus, um eine Probenoberfläche deterministisch mit zwei anti-phased modulierten Linien zu erwärmen, während hochaufgelöste thermische Bilder aufgenommen werden. Die Fehlerposition wird von der Auswertung von thermischen Welleninterferenzminima abgerufen.

Zusammenfassung

Die dargestellte Methode wird verwendet, um unterirdische Defekte zu lokalisieren, die senkrecht zur Oberfläche orientiert sind. Um dies zu erreichen, schaffen wir destruktiv interferierende thermische Wellenfelder, die durch den Defekt gestört werden. Dieser Effekt wird gemessen und verwendet, um den Defekt zu lokalisieren. Wir bilden die zerstörerisch störenden Wellenfelder mit einem modifizierten Projektor. Die ursprüngliche Lichtmaschine des Projektors wird durch einen fasergekoppelten Hochleistungs-Diodenlaser ersetzt. Sein Strahl ist geformt und auf den räumlichen Lichtmodulator des Projektors ausgerichtet und optimiert für optimalen optischen Durchsatz und homogene Projektion, indem er zuerst das Strahlprofil charakterisiert und zweitens mechanisch und numerisch korrigiert. Eine Hochleistungs-Infrarot- (IR-) Kamera wird entsprechend der engen geometrischen Situation (einschließlich Korrekturen der geometrischen Bildverzerrungen) und der Anforderung, schwache Temperaturschwingungen an der Probenoberfläche zu detektieren, aufgebaut. Die Datenerfassung kann nach einer Synchronisation durchgeführt werdenDie Ronisierung zwischen den einzelnen thermischen Wellenfeldquellen, der Abtaststufe und der IR-Kamera wird durch die Verwendung eines dedizierten experimentellen Aufbaus hergestellt, der auf das zu untersuchende spezifische Material abgestimmt werden muss. Während der Daten nach der Verarbeitung werden die relevanten Informationen über das Vorhandensein eines Defekts unterhalb der Oberfläche der Probe extrahiert. Es wird aus dem oszillierenden Teil der erworbenen Wärmestrahlung, die von der sogenannten Verarmungslinie der Probenoberfläche kommt, abgerufen. Die genaue Lage des Defektes ergibt sich aus der Analyse der räumlich-zeitlichen Form dieser Schwingungen in einem abschließenden Schritt. Die Methode ist referenzfrei und sehr empfindlich gegenüber Veränderungen innerhalb des thermischen Wellenfeldes. Bisher wurde das Verfahren mit Stahlproben getestet, ist aber auch für verschiedene Materialien, insbesondere für temperaturempfindliche Materialien, anwendbar.

Einleitung

Das laserprojizierte photothermische Thermographieverfahren (LPPT) wird verwendet, um unterirdische Defekte zu lokalisieren, die in das Volumen des Probekörpers eingebettet sind und vorwiegend senkrecht zu seiner Oberfläche orientiert sind.

Das Verfahren verwendet die zerstörende Interferenz von zwei anti-phasengesteuerten thermischen Wellenfeldern der gleichen Dehnung und Frequenz, wie in 1b gezeigt . Bei isotropen fehlerfreien Materialien neutralisieren die thermischen Wellen destruktiv ( dh Nulltemperaturschwingung) an der Symmetrieebene durch kohärente Überlagerung. Im Falle eines Materials mit einem Untergrunddefekt nutzt das Verfahren die Wechselwirkung der seitlichen ( dh in der Ebene liegenden) Komponenten zwischen dem transienten Wärmestrom und diesem Defekt. Diese Wechselwirkung kann in einer neu erzeugten Oszillationstemperaturdehnung an der Symmetrielinie auf der Probenoberfläche gemessen werden. Nun wird die fehlerbehaftete Probe durch das überlagerte thermische Wellenfeld abgetastet undWird der Grad der Temperaturdehnung in Bezug auf die Probenposition gemessen. Aufgrund der Symmetrie wird die destruktive Interferenzbedingung noch einmal erfüllt, wenn der Defekt die Symmetrieebene kreuzt; Damit können wir den Defekt sehr empfindlich finden. Da außerdem der Grad der maximalen Störung der zerstörenden Interferenz mit der Tiefe des Defekts korreliert, ist es möglich, seine Tiefe durch Analysieren der Temperaturabtastung 1 zu bestimmen.

Der LPPT kann der aktiven Thermografie-Methodik zugeordnet werden, einer gut etablierten, zerstörungsfreien Methode, bei der eine transiente Erwärmung aktiv erzeugt wird und die daraus resultierende, auch transiente Temperaturverteilung über eine thermische IR-Kamera gemessen wird. Im Allgemeinen ist die Empfindlichkeit dieser Methodik auf Defekte beschränkt, die im Wesentlichen senkrecht zum transienten Wärmestrom orientiert sind. Da die regulierende transiente Wärmeleitungsgleichung ein parabolischer partieller Unterschied istGleichung ist der Wärmestrom in das Volumen stark gedämpft. Infolgedessen ist die Sondierungstiefe der aktiven Thermographie-Methodik auf einen nahezu oberflächennahen Bereich beschränkt, üblicherweise im Millimeterbereich. Zwei der häufigsten aktiven Thermografietechniken sind gepulste und Lock-in-Thermografie. Sie sind aufgrund der planaren optischen Flächenbeleuchtung 2 schnell, führen aber zu einem transienten Wärmestrom senkrecht zur Oberfläche. Daher ist die Empfindlichkeit dieser Techniken auf Defekte begrenzt, die überwiegend parallel ausgerichtet sind ( z. B. Delaminierungen oder Hohlräume) auf die beheizte Probenoberfläche. Eine empirische Regel für gepulste Thermographie besagt, dass "der Radius des kleinsten detektierbaren Defektes mindestens ein bis zwei Mal größer sein sollte als seine Tiefe unter der Oberfläche" 3 . Um die effektive Wechselwirkungsfläche zwischen einem senkrecht orientierten Defekt ( zB Riss) und dem Wärmestrom zu erhöhen, muss die Richtung des Wärmestroms erfolgengeändert. Die lokale Erregung erzeugt beispielsweise unter Verwendung eines fokussierten Lasers mit einem linearen oder kreisförmigen Fleck einen Wärmestrom mit einer in der Ebene liegenden Komponente, die in der Lage ist, effektiv mit dem senkrechten Defekt 4 , 5 , 6 , 7 in Wechselwirkung zu treten.

In der vorgestellten Methode verwenden wir auch die lateralen Wärmestromkomponenten, um Untergrunddefekte zu detektieren, aber wir verwenden die Tatsache, dass thermische Wellen überlagert werden können, während Defekte, insbesondere vertikal orientierte, diese Überlagerung stören. Auf diese Weise ähnelt das vorgestellte Verfahren einem referenzfreien, symmetrischen und sehr empfindlichen Verfahren, da es möglich ist, künstliche Untergrunddefekte bei einem Breiten- / Tiefenverhältnis von weit unter einem 8 , 9 zu detektieren. Bisher war es schwierig, zwei anti-phased thermische Wellenfelder zu schaffen, die genügend Energie liefern. Wir haben das erreichtY-Kopplung eines räumlichen Lichtmodulators (SLM) an einen Hochleistungs-Diodenlaser, der es uns ermöglichte, die hohe optische Leistung des Lasersystems mit der räumlichen und zeitlichen Auflösung des SLM (siehe Abbildung 2 ) in einen Hochleistungsprojektor zu verschmelzen . Die thermischen Wellenfelder werden nun durch photothermische Umwandlung von zwei antiphasigen sinusförmig modulierten Linienmustern über die Pixelhelligkeit des projizierten Bildes erzeugt (siehe Abbildung 2 , Abbildung 1a ). Dies führt zu einer strukturierten Erwärmung der Probenoberfläche und führt zu klar definierten, destruktiv störenden thermischen Wellenfeldern. Um einen Untergrunddefekt zu finden, wird die Störung der destruktiven Schlußfolgerung als Temperaturschwingung an der Oberfläche mit einer IR-Kamera gemessen.

Der Begriff thermische Welle wird kontrovers diskutiert, weil thermische Wellen keine Energie aufgrund des diffusiven Charakters der Wärmeausbreitung transportieren. Dennoch gibt es Wellen-Verhalten, wenn hea Regelmäßig, so dass wir Ähnlichkeiten zwischen realen Wellen und Diffusionsprozessen 10 , 11 , 12 verwenden können . Somit kann eine thermische Welle als in der Ausbreitungsrichtung stark gedämpft verstanden werden, aber periodisch über die Zeit ( Fig. 1b ). Die charakteristische thermische Diffusionslänge figure-introduction-1 Wird hiermit durch seine Materialeigenschaften (Wärmeleitfähigkeit k , Wärmekapazität c p und Dichte ρ ) und die Erregerfrequenz ƒ beschrieben. Obwohl die thermische Welle stark abklingt, kann ihre Wellenart angewendet werden, um Einblick in die Eigenschaften der Probe zu erhalten. Die erste Anwendung der thermischen Welleninterferenz wurde verwendet, um die Dicke der Schichten zu bestimmen. Im Gegensatz zu unserer Methode wurde der Interferenzeffekt in der Tiefenabmessung ( dh senkrecht zur Oberfläche) verwendet, Ref "> 13. Ausdehnung der Idee der Interferenz auf eine zweite Dimension durch Aufteilung eines Laserstrahls, wurde eine thermische Wellenstörung verwendet, um Untergrunddefekte zu beschädigen 14. Dieses Verfahren wurde in der Übertragungskonfiguration angewendet, was bedeutet, dass es durch die Penetration begrenzt wurde Tiefe der thermischen Welle, da nur eine Laserquelle verwendet wird, gilt diese Methode für konstruktive Interferenzen, so dass eine fehlerfreie Referenz benötigt wird. Neben der Idee der Verwendung von thermischen Wellenstörungen ist die erste technische räumliche und räumliche Die zeitlich kontrollierte Erwärmung wurde von Holtmann et al. Mit einem unmodifizierten Flüssigkristall-Display (LCD) -Projektor mit der eingebauten Lichtquelle durchgeführt, die in ihrer optischen Ausgangsleistung stark eingeschränkt war. Weitere Ansätze von Pribe und Ravichandran zielten darauf ab, das optische zu erhöhen Ausgangsleistung durch auch Kopplung eines Lasers an einen SLM 16 , S = "xref"> 17

Das hier vorgestellte Protokoll beschreibt die Anwendung des LPPT-Verfahrens, um unterirdische Defekte zu lokalisieren, die senkrecht zur Oberfläche von Stahlproben orientiert sind. Die Methode ist in einem frühen Stadium, aber dennoch mächtig genug, um den vorgeschlagenen Ansatz zu validieren; Es ist jedoch immer noch in Bezug auf die erreichbare optische Ausgangsleistung des Versuchsaufbaus begrenzt. Da die Zunahme der optischen Ausgangsleistung eine Herausforderung bleibt, wird das vorgestellte Verfahren auf beschichteten Stahl angewendet, der künstliche elektrisch entladene bearbeitete Kerben enthält. Dennoch halten die wichtigsten und kritischsten Schritte des Protokolls, die eine homogene strukturierte Beleuchtung erzeugen, die Voraussetzungen für eine zerstörende thermische Wellenstörung erfüllen und den Defekt lokalisieren, immer noch für anspruchsvollere Defekte. Da die Regelgröße die thermische Diffusionslänge μ ist, kann das LPPT-Verfahren auch auf zahlreiche verschiedene Materialien angewendet werden.

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Abbildung 1: Prinzip der zerstörenden Interferenzwirkung. ( A ) Schematische Darstellung des bei Experimenten verwendeten Beleuchtungsmusters Die Probe wird räumlich und zeitlich durch zwei periodisch beleuchtete Muster mit einer Phasenverschiebung von π erwärmt. Die gestrichelte Linie stellt die Symmetrielinie zwischen beiden Mustern dar. Diese Zeile wird zur Auswertung als "Verarmungslinie" verwendet. ( B ) Schema des räumlich und zeitlich aufgelösten thermischen Wärmeergebnisses, berechnet aus der analytischen Lösung der thermischen Wärmeleitungsgleichung. Es zeigt die ansprechenden thermischen Wellen zur Beleuchtung von (a) mit einer Bestrahlung der beiden Muster mit P opt 1 = 1,5 W sin (2π 0,125 Hz t ) + 1,5 W und P opt 2 = 1,5 W sin (2π 0,125 Hz t + Π) + 1,5 W für Baustahl ρ = 7,850 kg / m 3 , c p = 461 J / (kg · K), k = 54 W / (m · K). Das Temperaturprofil an der gestrichelten Linie zeigt keine thermische Oszillation für homogenes, isotropes Material. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

figure-introduction-3
Abbildung 2: Schematische Darstellung des Messprinzips der strukturierten Erwärmung in der aktiven Thermographie. Ein Gauß-Strahl, der zu einem Hutprofil homogenisiert ist, wird auf einen räumlichen Lichtmodulator (SLM) angewendet. Der SLM löst den Strahl räumlich durch seine schaltbaren Elemente und zeitlich durch seine Schaltgeschwindigkeit. Jedes Element repräsentiert ein SLM-Pixel. In diesem Experiment ist das SLM ein digitales Mikrospiegelgerät (DMD). Durch die Modulation der Pixelhelligkeit A mit einer zeitdeterministischen Steuerungssoftware, der ProbenoberflächeWird strukturiert beheizt. Im Falle des dargestellten Experiments modulieren wir zwei anti-phasenförmige Linien (Phasen: φ = 0, π), die den Ursprung kohärent störender thermischer Wellenfelder bei der Winkelfrequenz ω sind. Die Wellenfelder wechselwirken mit der inneren Struktur der Probe, die auch das Temperaturfeld an der Oberfläche beeinflusst. Dies wird über seine Wärmestrahlung durch eine Mittelwellen-Infrarotkamera gemessen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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Protokoll

HINWEIS: Achtung: Bitte beachten Sie die Lasersicherheit, da das Setup einen Laser der Klasse 4 verwendet. Bitte tragen Sie die richtige Schutzbrille und Kleidung. Auch den Pilotlaser sorgfältig behandeln.

1. Paar der Diodenlaser zum Projektor Development Kit (PDK)

  1. Das Brot vorbereiten
    1. Montieren Sie alle Geräte wie in Abbildung 3 gezeigt auf das Steckbrett. Legen Sie das Steckbrett mit allen vormontierten Geräten in ein Laserlabor.
  2. Positionieren Sie die Laserfaserhalterung auf dem Steckbrett.
    1. Befestigen Sie die Faser an der Laserfaserhalterung ( siehe Abbildung 3 ).
    2. Schalterverschluss und Laserschwelle des Diodenlasers einschalten. Bei Verwendung der Hochleistungs-IR-Sensorkarte den Ausgabedurchmesser (40 mm) des Strahls überprüfen. Schalten Sie die Laser-Schwelle aus und der Pilot-Laser an. Passen Sie die Höhe der optischen Achse an der Laserfaserhalterung an den Eingang des PDK anDie Laborbuchse ( siehe Abbildung 4a, 4d ).
    3. Bewegen Sie die Laserfaserhalterung entlang der Schiene. Beobachten Sie die Position des Pilotlasers im Abstand. Sein Mittelpunkt sollte sich nicht bewegen. Falls dies der Fall ist, überprüfen Sie die Halterung zwischen Laborbuchse und Laserfaserhalterung. Fixieren Sie die Laserfaserhalterung danach.
      HINWEIS: Die Schiene ist die Referenz für die optische Achse und sollte parallel zum Steckbrett ausgerichtet sein. Die Teleskopobjektive müssen vorher entfernt werden.
  3. Das Teleskop einstellen
    1. Benutzen Sie das Teleskop, um den Strahldurchmesser von 40 mm auf 15 mm zu reduzieren, um in den Eingang des PDK zu passen ( siehe Abbildung 4a, 4d ). Verwenden Sie eine 200-mm- und eine 75-mm-Plankonvexlinse als erste bzw. zweite Linse. Verwenden Sie den Pilotlaser und das Fadenkreuz, um das erste Objektiv zu positionieren ( siehe Abbildung 4b ).
    2. Den Abstand zwischen beiden Linsen mit dem Stahllineal grob einstellen. Benutze das Fadenkreuz wiederUm das Objektiv auf den Pilotlaser zu stellen. Montiere das zweite Objektiv auf eine xy Übersetzungsstufe. Verwenden Sie die Bühne, um den Strahl zu kollimieren.
  4. Richten Sie den Strahlprobennehmer aus.
    1. Schlagen Sie (mit dem Laserstrahl) den Strahlprobennehmer in einem Winkel von 45 °. Verwenden Sie eine zweite Schiene senkrecht zum ersten, um den Strahlprobennehmer zu positionieren.
      HINWEIS: Der Großteil der optischen Leistung wird durch den 500 W-Leistungsmesser abgekühlt. Der optische Ausgang des Diodenlasers ist bei voller Leistung stabiler, weshalb die optische Leistung aufgeteilt wird.
    2. Benutzen Sie die Iris in einem höhenfesten Pfosten, um den optischen Weg entlang der Schiene ( siehe Abbildung 4a ) mit dem Pilotlaser zu überprüfen.
  5. Richten Sie den Spiegel aus.
    1. Vor dem Ausrichten des Spiegels, wie in Abbildung 4c gezeigt, entfernen Sie das PDK und seine Basisplatte. Fix eine dritte Schiene senkrecht zur zweiten. Wieder einmal den optischen Weg durch die Iris überprüfen.
      HINWEIS: Der optische Pfad sSollte auf die Schienenorientierung ausgerichtet werden. Der Strahl sollte kollimiert werden.
  6. Zerlegen und positionieren Sie das PDK.
    1. Bevor Sie den PDK 18 positionieren, entfernen Sie den originalen Lichtmotor.
      HINWEIS: Es gab zwei ehemalige Linsen, die ursprünglich die LEDs des PDK 19 kollimierten ( vgl . Abbildung 4d , Eingang). Sie sind geklebt und müssen mit Aceton entfernt werden.
    2. Richten Sie die Plattform des PDK so aus, dass sie parallel zur dritten Schiene und damit zur optischen Achse des Strahls ist. Benutzen Sie das Fadenkreuz, das auf den Eingang von PDK eingestellt ist, um das PDK relativ zum Strahl zu positionieren. Gleich parallel bleiben. Schalten Sie den Pilot-Laser aus, weil es zu schwach ist, um das PDK zu passieren.
  7. Projekt ein weißes Bild, um die optische Leistung zu überprüfen.
    1. Vergewissern Sie sich, dass das HDMI-Kabel und das USB-Kabel des PDK sowie die Datenerfassung (DAQ) mit demSteuern PC. Verbinden Sie die Anschlüsse an der Lasersteuerbox für "Laser Shutter", "Laser-Schwelle" und "Laser ein" auf der DAQ-Karte. Verbinden Sie den "Lasersteuerspannung" des Steuergerätes mit der DAQ-Karte.
    2. Starten Sie die PDK-Steuerungssoftware 20 und konfigurieren Sie sie als gewöhnlichen Projektor nach den Schritten i.1 bis i.3 von Abbildung 5b . Aktiviere den zweiten Bildschirm und stelle sicher, dass im zweiten Bildschirm kein Fenster vorhanden ist. Verwenden Sie einen weißen Desktop-Hintergrund und überprüfen Sie die Funktion des Projektors mit dem LED-Blitzlicht als Eingangslichtquelle.
      HINWEIS: Wenn ein weißes Bild auf die Bildebene des PDK projiziert wird, arbeitet das Gerät ordnungsgemäß.
  8. Überprüfen Sie die optische Eingangsleistung.
    1. Setzen Sie den 30-W-Leistungsmesser-Kopf an die Stromzähler-Steuereinheit im optischen Pfad vor dem PDK ( siehe Bild 4e - Position 1). Schalte den Diodenlaser umOn mit der LPPT-Lasersteuerungssoftware nach den Schritten i.1 bis i.3 von Abbildung 5a ) bei einem niedrigen Leistungspegel von Schritt i.1 = 0,5 V.
      HINWEIS: Die LPPT-Lasersteuerungssoftware schaltet die DAQ-Karte um, die die Laser-Steuerausgänge umschaltet ( siehe 1.7.1). Betrachten Sie Lasersicherheit, tragen Sie Brille und Schutzkleidung!
    2. Überprüfen Sie die Position des Leistungsmessers mit der Hochleistungs-IR-Sensorkarte. Halten Sie die IR-Karte in den Strahl und beobachten Sie es glühen. Passen Sie den Strahldurchmesser an den Bereich des Leistungsmessers an ( Abbildung 3 ).
    3. Überprüfen Sie die maximale optische Eingangsleistung am Eingang des PDK ( siehe Abbildung 5a ), Schritt i.1) ​​mit einem Wert von 10 V.
      HINWEIS: Die optische Eingangsleistung am Eingang des PDK sollte maximal 22 W 21 betragen. Bei dieser Konfiguration wurden Messzeiten bis zu 5 min ohne Zerstörung des SLM toleriert, was bei der PDK als digitales Mikrospiegelgerät (DMD) realisiert wird.
  9. Überprüfen Sie die optische Ausgangsleistung.
    1. Positionieren Sie den 30-W-Leistungsmesser-Kopf in einem ungefähren Abstand von 60 mm zum PDK mit af = 60 mm Objektiv, das am PDK-Objektiv befestigt ist ( siehe Abbildung 4e ).
    2. Positionieren Sie das LED-Blitzlicht am Eingang des Projektors ( siehe Bild 4d ) und schalten Sie es ein. Feinabstimmung der Position des Leistungsmesserkopfes, so dass er das Licht des projizierten Bildes sammelt, wie in Abbildung 4e gezeigt . Entfernen Sie danach das LED-Blitzlicht.
    3. Starten Sie die LPPT Lasersteuerungssoftware. Geben Sie "0,5 V" in das Feld "Spannung" ein und klicken Sie auf "Laser On!" Taste. Lesen Sie die optische Leistung von der Stromzähler-Steuereinheit. Stoppen Sie den Laser, indem Sie auf die Schaltfläche "Stop" klicken. Wiederholen Sie diese Schritte für 2 V, 6 V, 10 V ( siehe Abbildung 5a , i.1 bis i.3).
      HINWEIS: Wenn eine Spannung von 10 V eine optische Ausgangsleistung von &# 62; 4 W, der Ersttest ist erfolgreich. Ansonsten muss die optische Ausrichtung überprüft werden. Versuchen Sie, die optische Ausgangsleistung zu maximieren, indem Sie den Spiegel fein einstellen.
  10. Messen Sie das Strahlprofil.
    1. Verwenden Sie eine Fotodiode mit Verstärker und Pinhole, um das Strahlprofil des resultierenden projizierten Bildes zu messen ( siehe Abbildung 4f ). Wenn ein Balkenprofiler zugänglich ist, verwenden Sie dieses Gerät, aber schwächen Sie den Strahl.
    2. Befestigen Sie die Fotodiode an einer Übersetzung, die selbst an einer Halterung montiert ist. Auch ein Neutral-Dichte (ND) 1 Reflektor-Filter und die 1-mm-Pinhole an die Diode. Legen Sie die Fotodiode auf eine motorisierte Übersetzungsstufe und die Laborbuchse. Um die Höhe zu erreichen, verwenden Sie zwei Breadboards (100 mm x 100 mm).
    3. Verwenden Sie nach dem PDK-Objektiv af = 100 mm Objektiv ( siehe Bild 4e ) und projizieren Sie ein weißes Bild mit dem LED-Blitzlicht ( siehe Schritt 1.7). Verschieben Sie die Fotodiode auf die Bildebene undStellen Sie sicher, dass der Bereich der Fotodiode, der sich in der Translationsstufe bewegt, innerhalb des projizierten Bildes liegt ( siehe Abbildung 4f ).
    4. Verbinden Sie die Fotodiode mit der Stromversorgung und der DAQ-Karte. Verwenden Sie 40 dB Verstärkung für 6 V Steuerspannung für optische Laserleistung. Verbinden Sie den Bewegungsregler für die motorisierte Übersetzungsstufe mit dem Steuerungs-PC.
      HINWEIS: Die LPPT-Intensitäts-Software steuert die Bewegung der Pinholed-Fotodiode durch den beleuchteten Bereich bei einer konstanten Geschwindigkeit von v = 0,1 mm / s und zeichnet das Photodioden-Signal bei 100 kHz auf. Der Laser wird auch per Software gesteuert.
    5. Benutzen Sie die Mikrometerschraube der Stufe in 1 mm Schritten, wie in Abbildung 4f gezeigt, um das Bild zu scannen. Siehe die in Abbildung 6a-6b dargestellten Ergebnisse .
  11. Berechnen Sie das Korrekturbild.
    1. Um die Inhomogenität des Strahlprofils zu korrigieren, berechnen Sie eine invertierte Pixelmatrix bezüglich des StrahlsProfil. Identifizieren Sie den Bereich des projizierten Bildes mit einem Kantenerfassungsalgorithmus.
    2. Umwandlung von Zeitinformationen in räumliche Information unter Verwendung der Bühnengeschwindigkeit. Verwandeln Sie die räumliche Information in die Pixeldomäne des PDK mit x = 1.024 Pixel und y = 768 Pixel. Normalisieren Sie das Diodensignal auf den Maximalwert.
      HINWEIS: Der Referenzpegel für die Korrektur wurde mit dem Mittelwert aller normalisierten Bilderwerte gewählt. Der Dämpfungsgrad wird berechnet mit:
      figure-protocol-1
      P Pixel ist die normalisierte Diodenintensität pro Pixel. Werte von Pixel LC über 1 werden auf 1 gesetzt.
    3. Multiplizieren Sie die Korrekturmatrix ( siehe Abbildung 6c ) mit einem weißen Bild und messen Sie das Profil erneut, um zu überprüfen, ob die Korrektur ausreichend war ( siehe Abbildung 6e-6h ).

2. Vorbereitung der Probe

  • Verwenden Sie zwei Blöcke von 100 mm x 100 mm x 40 mm Baustahl St37 als Probenmaterial mit einer Dichte von ρ = 7.850 kg m -3 , Wärmeleitfähigkeit k = 54 W · m -1 · K -1 und Wärmekapazität Von c p = 461 J · kg -1 · K -1 .
  • Setzen Sie künstliche Defekte in zwei Blöcken bei 0,25 mm, 0,5 mm, 0,7 mm, 1,25 mm und 1 mm, 1,5 mm, 1,75 mm, 2 mm durch elektrische Entladungsbearbeitung unter die Oberfläche ein, wie in Abbildung 7 gezeigt .
  • Tape die Defekte mit Schutzband. Sandstrahl die obere Oberfläche, um eine homogene Absorption zu haben. Verklebe die Defekte mit Schutzband vor dem Beschichten. Entfetten Sie die Oberfläche mit Aceton.
  • Den beleuchteten Bereich mit Graphitspray aus 30 mm Abstand zweimal (0 ° und 90 °) bestreichen. Die Beschichtung ist erfolgreich, wenn es eine homogene Oberfläche gibt. Wenn die Beschichtung nicht intakt ist, beginnen Sie die Entfettung und Reinigung wieder und wiederholen SieDer Beschichtungsschritt. Trockne die Oberfläche ~ 2 h. Berühre die Oberfläche nicht, sie ändert das Emissionsvermögen.
  • Entfernen Sie das Band und vergewissern Sie sich, dass der Graphit nicht in den Untergrunddefekt gelangt.

    • 3. Bereiten Sie das Experiment vor

    1. PDK und Diodenlaser vorbereiten
      1. Projizieren Sie ein weißes Bild wie in Schritt 1.7 beschrieben). Überprüfen Sie die optische Eingangsleistung des PDK wie in Schritt 1.8 beschrieben). Überprüfen Sie die optische Ausgangsleistung des PDK wie in Schritt 1.9 gezeigt).
      2. Verbinden Sie den 500-W-Leistungsmesser-Kopf mit dem Power Meter-Steuergerät und schließen Sie das Leistungsmessgerät über ein USB-Kabel an den Steuerrechner (PC) an.
    2. Bereiten Sie den Bewegungsregler vor und positionieren Sie die Probe.
      1. Verbinden Sie den Bewegungsregler über ein USB-Kabel mit dem Übersetzungsstudio und mit dem Steuerrechner. Positionieren Sie die Translationsstufe orthogonal zur optischen Achse in einem Abstand von etwa 80 mm relativ zu PDK.
        HINWEIS: Der LPPT SoftwarE, läuft auf dem Steuerrechner steuert den Motion Controller.
      2. Befestigen Sie das f = 100 mm Objektiv am PDK Objektiv. Verwenden Sie das LED-Blitzlicht als Eingangslichtquelle ( siehe Bild 4d , das Fadenkreuz markiert den Eingang) zum PDK, um die Bildebene des Projektors zu finden.
        1. Positionieren Sie ein weißes Blatt Papier in einem ungefähren Abstand von 100 mm vor dem Objektiv und bewegen Sie es hin und her, um die Ebene des scharfen beleuchteten Rechtecks ​​zu finden, welches die Bildebene ist.
      3. Positionieren Sie die beschichtete Probenoberfläche in dieser Ebene. Legen Sie die Höhe der Probe mit der Laborbuchse fest, die an der linearen Translationsstufe angebracht ist. Wählen Sie die Höhe so, dass die Oberseite des beleuchteten Rechtecks ​​auf die Oberseite der Probe trifft ( siehe Abbildung 4g ). Positionieren Sie den Defekt, dass er innerhalb des Bereichs des beleuchteten Bereichs liegt.
      4. Zonen Sie den Bewegungsregler, indem Sie das Gerät aus- und wieder einschalten.
    3. Bereiten Sie die Kamera vor und positionieren Sie den Goldspiegel.
      1. Verwenden Sie das LED-Blitzlicht als Eingangslichtquelle für den Projektor, um ein weißes Bild auf die Probe zu projizieren.
      2. Legen Sie den Goldspiegel so hoch, dass er den oberen Rand der Probe sieht ( Abbildung 4g ). Stellen Sie den Spiegel auf einen Winkel von etwa 35 ° ein, wie in Abbildung 3 dargestellt . Positionieren Sie den Goldspiegel so nah wie möglich an das PDK-Objektiv, aber nicht die Projektion beschatten.
        HINWEIS: Der Spiegel ist an einem Pfosten in einem montierten Pfostenhalter befestigt. Die Höhe und Position werden durch Klemmen fixiert.
      3. Montiere die IR-Kamera auf das Stativ. Nimm die IR-Kamera mit dem Bullseye-Level. Stellen Sie die IR-Kamera auf die Höhe des PDK-Objektivs ein. Positionieren Sie es so, dass es das projizierte weiße Bild über dem Goldspiegel sieht.
        ANMERKUNG: Die ungefähre Distanz entlang des optischen Weges beträgt etwa 1 m.
      4. Verwenden Sie den Distanzring zwischen dem IR-Kamera-Objektiv und der IR-Kamera. MachenDass der Trigger-Eingang der Kamera mit der Messdatenerfassungskarte verbunden ist, um den Frame Grabbing auszulösen. Verbinden Sie den IR-Kamera-PC mit der IR-Kamera über LAN-Kabel.
      5. Schalten Sie die Kamera ein und warten Sie mindestens auf die Aufwärmzeit ( ca. 30 min).
      6. Start IR-Kamera-Steuerungs-Software. Ändern Sie die Menüleiste auf "Kamera". Klicken Sie auf die Schaltfläche "Verbinden", um die IR-Kamera anzuschließen ( siehe Abbildung 8a , Schritt i.1).
        HINWEIS: Die Kamera zeigt ein Livebild der Szene.
      7. Klicken Sie auf die Schaltfläche "Remote", um das Panel "Remote Control" zu öffnen ( siehe Abbildung 8d , Schritt i.2). Wählen Sie die Kalibrierung "HF 100mm (-10 ° C - 60 ° C) 1140 μs". Siehe Abbildung 8d , Schritt i.2.1.
        HINWEIS: Der Kalibrierbereich sollte so klein wie möglich sein, um Lärm zu reduzieren.
      8. Manuelles Einstellen des Objektivfokus-Ringes, um die IR-Kamera auf th zu fokussierenE Probenebene.
        HINWEIS: Es ist wichtig, dass das Sichtfeld der Kamera so groß ist wie die maximal projizierte Fläche, um die maximale räumliche Auflösung zu haben ( vgl . Abbildung 4g ). Man muss die Position, die Höhe und die Ausrichtung der IR-Kamera ändern. Um zu entscheiden, ob ein Bild scharf ist, braucht man einen Temperaturkontrast an der Bildebene. Ein Stahllineal kann verwendet werden, um einen Kontrast zu erzeugen. Wenn das IR-Bild noch einen geringen Kontrast hat, kann man es mit dem Auswahlwerkzeug anpassen ( siehe Abbildung 8c , i.3)
      9. Führen Sie eine Ungleichmäßigkeitskorrektur durch, indem Sie auf die Schaltfläche "NUC" klicken ( siehe Abbildung 8d , Schritt i.2.2). Decken Sie die IR-Kamera Ziel und klicken Sie auf die Schaltfläche "ok".
    4. Bestimmen Sie die Beziehung zwischen IR-Kamera-Pixel-Domain und Projektor-Koordinaten.
      1. Bestimmen Sie die Beziehung zwischen der PDK-Pixel-Domäne, der IR-Kamera-Pixel-Domäne und der LeNgth Skala der Probe durch Projizieren eines weißen Bildes oder Musters auf die Probenoberfläche ( siehe Abbildung 4 g, h ). Messen Sie die projizierte Fläche unter Verwendung eines Stahllineals, der die Beziehung zwischen der PDK-Domäne und der Längenskala der Probe ergibt.
      2. Benutzen Sie das f = 100 mm Objektiv am PDK-Objektiv, um eine beleuchtete Fläche von 21,3 mm x 16 mm (4: 3) zu erhalten.
        HINWEIS: Die Längenskala in PDK-Koordinaten ist: 1 projiziertes Pixel = 21,3 mm / 1,024 Pixel
      3. Finden Sie die Beziehung zwischen PDK und IR Kamera. Wiederholen Sie Schritt 1.9.3) für 10 V.
        1. Verwenden Sie die IR-Kamera-Software, um die Menüleiste auf "Messen" zu ändern. Wählen Sie aus der Werkzeugleiste "Messbereiche" das "Kreuzwerkzeug" ( siehe Bild 8c ), Schritt i.4). Markieren Sie die Ecken des resultierenden thermischen Bildes, indem Sie mit der linken Maustaste auf den dargestellten Rahmen klicken.
        2. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf das Kreuz, um zum Immobilienfenster zu gelangen. Wechseln Sie zu "Koordinaten" und zeichnen Sie sie aufSpätere Umwandlung des thermischen Bildes in das PDK-Koordinatensystem.

    4. Implementieren Sie das Experiment

    1. Bereiten Sie das Experiment vor.
      1. Schätzung der Beleuchtungsfläche relativ zur Längenskala der Probe
        1. Verwenden Sie die f = 100 mm Linse, um eine beleuchtete Fläche von 5,5 mm x 16 mm pro Muster zu erhalten. Wählen Sie eine Fläche von 5,5 mm x 16,5 mm dazwischen, die nicht beleuchtet ist.
          HINWEIS: Die resultierende Bestrahlungsstärke beträgt ca. 1,2 W / cm².
      2. Schätzung des Beleuchtungsbereichs in Einheiten relativ zum PDK-Pixelbereich.
        1. Verwandeln Sie die beleuchtete Musterposition in die Pixeldomäne des PDKs (1.024 Pixel x 768 Pixel) unter Verwendung der Gleichung in Schritt 3.4.2). Verwenden Sie [(512, 1); (512, 768)] Pixel in der PDK-Domäne als die Verarmungslinie, die zwischen beiden Mustern symmetrisch ist.
      3. Berechnen Sie die Gesamtzahl der Frames, die Messzeit und die FramesR Zeitraum. Unter der Annahme einer Geschwindigkeit von v = 0,05 mm / s, einer Bahnfahrt von x = 10 mm und einer PDK-Bildrate ƒ r = 40 Hz, berechnen Sie die Messzeit t über t = x / v = 200 s. Berechnen Sie auch die Anzahl der Frames nein ƒ = ƒ r • t = 8.000. Mit einer Erregerfrequenz von ƒ = 0,125 Hz berechnen Sie die Bilder pro Periode p mit p = nein ƒ / t ƒ = 320 Frames / Periode.
        Hinweis: Diese Werte werden verwendet, um die projizierten Bilder zu erzeugen.
      4. Überprüfen Sie das Setup und stellen Sie sicher, dass das Lasersystem, die IR-Kamera und (optional) die Temperaturregelung an die DAQ-Karte angeschlossen ist. Prüfen Sie, ob der 500 W Leistungsmesser, PDK und die Linearstufe mit dem Steuerungs-PC verbunden sind.
    2. Richten Sie den Kamerasteuerungs-PC ein.
      1. Konfiguriere die IR-Kamera-Steuerungssoftware, um einen Rahmen zu greifen, wenn die IR-Kamera einen Trigger-Eingang empfängt. Dafür sHexe auf die Tafel "Kamera" und klicke auf die Schaltfläche "Fern" ( siehe Abbildung 8a , Schritt i.2), um das Fernbedienungsfeld zu öffnen. Wählen Sie im Dropdown-Menü "Process IO" (Abbildung 8d , Schritt i.2.3) und aktivieren Sie "Sync In" und "Gate" und schließen Sie das Menü.
      2. Öffnen Sie das Erfassungsmenü, indem Sie unten rechts auf die Registerkarte "Erfassungsparameter" klicken ( siehe Abbildung 8a , i.5). Wählen Sie "Ext / Sync" aus dem Dropdown-Menü ( siehe Abbildung 8b , i.5.1). Benennen Sie die Messung durch Eingabe von Datei- und Ordnernamen in das Feld "Ordner" (siehe Abbildung 8b , i.5.2).
      3. Geben Sie die ab Schritt 4.1.3 berechnete Gesamtbildnummer in das Feld "count" ein ( siehe i.5.3). Schließen Sie das Akquisitionsmenü und klicken Sie auf die Schaltfläche "Record", um die IR-Kamera-Datenerfassung zu starten ( siehe Abbildung 8 , i.6).
        HINWEIS:Die Aufzeichnung erfolgt nur, wenn ein Trigger-Eingang von der DAQ-Karte vorhanden ist.
    3. Führen Sie das Experiment durch.
      1. Starten Sie die LPPT-Steuerungssoftware. Aktiviere den Bewegungsregler, indem du auf "Aktivieren" klickst (Abbildung 9a , i.1). Setzen Sie die Fahrparameter "StartPosition" = "-5 mm", "EndPosition" = "5 mm" und "Velocity" = "0,05 mm / s" durch Editieren der entsprechenden benannten Felder wie in Abbildung 9a , i.1 gezeigt. Klicken Sie auf die Schaltfläche "Messung starten" (siehe Abbildung 9a , i.2).
        HINWEIS: Falls es unklar ist, wo der Defekt liegt, wählen Sie einen größeren Fahrweg mit einer höheren Geschwindigkeit. Achten Sie auf die Erhöhung der Temperatur des PDK und die Menge der Daten erstellt. Beachten Sie, dass eine Benutzeroberfläche zur Erzeugung der Rahmenbilder erscheint ( siehe Abbildung 9b ).
      2. Erzeugen Sie die projizierten Rahmenbilder.
        1. Klicken Sie mit der linken Maustaste auf das Feld "Feldfarbe wählen". Wählen Sie aus dem Farbdialog eine Farbe für den Musterbereich aus (Abbildung 9 , i.3). Wähle das 'Rechteck-Werkzeug' aus der Zeichnungs-Symbolleiste in der oberen linken Ecke.
        2. Zeichnen Sie ein Rechteck auf dem Bildbereich, indem Sie mit der linken Maustaste klicken und halten, während Sie sich über den Bildbereich erstrecken. Verwenden Sie die transformierten Musterkoordinaten aus Schritt 4.1.2), um die in der linken unteren Ecke (i.4) gezeigten Rechteckkoordinaten zu vergrößern. Klicken Sie auf die Schaltfläche "Bereich definieren" (Abbildung 9b , i.5).
          HINWEIS: Die berechneten Pixelkoordinaten in der PDK-Domäne für 5,5 mm Mustergröße sind: Rechteck 1 (x1 = 116, y1 = 1; x2 = 380, y2 = 768), Rechteck 2 (x1 = 644, y1 = 1; x2 = 908, y2 = 768). Nach dem Klicken auf die Schaltfläche "Bereich definieren" erscheint ein Dialog zur Einstellung der Mustereigenschaften.
      3. Legen Sie die Mustereigenschaften fest (Abbildung 9c , i.6).
        1. Wähle "Sinuswelle" aus demDropdown-Menü mit der linken Maustaste auf das Feld "Signaltyp" klicken. Definieren Sie die Oszillationsparameter, indem Sie die Felder "Phase Shift" auf "0 °", "Frequency" auf "0,125 Hz" und "Amplitude" auf "127" setzen (Phasenverschiebung von 0 für das erste Pattern und eine Phasenverschiebung von π für der Zweite).
        2. Stellen Sie die Laserspannung auf 10 V ein, indem Sie "10" auf das Feld "Spannung" setzen. Fügen Sie 320 mit dem Wert aus Schritt 4.1.3 in das Feld "Pics / Perioden" ein. Drücken Sie die Schaltfläche "Weiter". Das schließt das tafel
          HINWEIS: Die LPPT-Steuerungssoftware berechnet einen periodischen Bildstrom bei der Auflösung des PDK. Da ein weißes Pixel eine maximale optische Leistung und eine schwarze Pixel-Nullleistung bedeutet, werden zwei Oszillationsmuster berechnet. Der Grauwert des ersten Musters wird mit P 1 = 127 sin (2π 0,125 Hz t ) + 127 und dem des zweiten mit P 2 = 127 sin (2π 0,125 Hz t) berechnet+ Π) + 127 (siehe Abbildung 2 , Grafik), während die Zeit t auf die gewählte Bildrate diskretisiert wird ( vgl. Schritt 4.3.4).
      4. Erstellen Sie das zweite projizierte Muster.
        1. Wiederholen Sie die Schritte 4.3.2) und 4.3.3) nach dem Workflow von Abbildung 9, jedoch mit einer anderen Farbe und einer anderen "Phasenverschiebung" von "180 °". Klicken Sie auf die Schaltfläche "calc Frames", um die projizierten Muster zu berechnen. Setzen Sie die PDK- und IR-Kamera-Bildrate auf "40 Hz" im aufgedruckten Dialogfeld.
      5. Laden Sie das Korrekturbild.
        1. Folgen Sie dem Workflow von Abbildung 9b ), Schritt i.12. Wählen Sie das Feld "Lastkorrektur" und geben Sie die Datei für das berechnete Bild aus Schritt 1.11). Laden Sie das Korrekturbild, indem Sie auf die Schaltfläche klicken.
      6. Starten Sie die Messung, indem Sie auf die Schaltfläche "Start" klicken ( siehe Abbildung 9b , Schritt i.13).
        HINWEIS: Die berechneten Frames werden auf die Probe projiziert, während sich die Bühne bewegt. Die Frames werden von der IR-Kamera-Steuerungssoftware erfasst und gezählt.
      7. Stoppen Sie die Messung, wenn alle Frames erfasst werden (Fortschrittsbalken = 100%), indem Sie auf die Schaltfläche "Stop Measurement" klicken ( siehe Abbildung 9a , I.14).
        HINWEIS: Das Etikett der Schaltfläche ändert sich, wenn geklickt wird.

    5. Nach der Verarbeitung der Datendatei

    1. Starten Sie die LPPT Nachbearbeitungssoftware. Klicken Sie auf die Schaltfläche "Laden" und wählen Sie die Messdatei im Dialogfeld Datei. Klicken Sie auf "OK", um das Kameradatenformat in das Post-Processing-Datenformat umzuwandeln ( siehe Abbildung 10a ).
      HINWEIS: Die IR-Kameradaten werden im IR-Kamera-PC im nativen Format gespeichert. Das IR-Kamera-Steuerungs-Software-Entwicklungskit wird verwendet, um die IR-Kamera-Sequenz in eine dreidimensionale Matrix (Pixel X, Pixel Y, Frame-Nummer) und a zu konvertierenHeader mit einem Timing-Vektor t.
    2. Verwandeln Sie die IR-Kameradaten in die PDK-Domäne ( siehe Abbildung 10b ), indem Sie die Koordinaten der vier Projektionspunkte P1x bis P4y aus Schritt 3.4.3) einfügen und auf "Transformieren" klicken.
      HINWEIS: Durch die Bildprojektion über den Goldspiegel zur IR-Kamera ( siehe Bild 4g ) wird das resultierende IR-Bild verzerrt. Eine affine geometrische Transformation wird von der IR-Kamera-Domäne zur PDK-Domäne durchgeführt. Das Ergebnis ist eine Matrix mit einer Größe von 1.024 x 768 x.
    3. Extrahieren Sie die Temperaturinformationen in der Verarmungslinie ( siehe Abbildung 10c ).
      1. Definieren Sie die Verarmungslinie mit zwei Punkten L1 und L2, indem Sie die Felder L1x = Lx2 = "512" Pixel füllen, wie es bereits in Schritt 4.1.2 gewählt wurde). Wähle y von L1y = "343" nach L2y = "393". Siehe Abbildung 10c .
        HINWEIS: Aufgrund der Transformation in Schritt 5.2) können die Daten seinSofort abgerufen, aber Nebenwirkungen auftreten, weil die Probe nur teilweise beleuchtet ist. Daher nicht die Randbereiche der Muster auswerten. Wenn das Rauschen noch zu hoch ist, kann die Größe von y erhöht werden.
      2. Stellen Sie die experimentellen Parameter für die IR-Kamera ein, indem Sie die folgenden Felder ausfüllen: FrameRate als "40" Hz, Frequenz als "0.125" Hz, Geschwindigkeit v als "0,05" mm / s und Ausgangsposition xStart als "-5" mm ( vgl. Fig. 10c ). Setzen Sie die Parameter für die Datennachbearbeitung: "Fit Degree" = "7", "Smoothing" = "20" und "Hilbert" = "500" wie in Abbildung 10c .
        HINWEIS: Die an der Verarmungslinie extrahierten Daten werden geometrisch gemittelt. Danach wird der Wechseltemperaturterm Δ T (siehe Abbildung 11a, b ) durch Durchführen einer Polynompassung (Fit Degree) wiedergewonnen. Das resultierende Signal wird durch einen gleitenden Mittelfilter (Glättung) geglättet.Schließlich wird eine Hilbert-Transformation angewendet, um die momentane Amplitude abzurufen. Ein weiterer gleitender Durchschnittsfilter (Hilbert) wird angewendet, um Restwelligkeiten zu reduzieren. Unter Verwendung von Informationen über das Amplitudenminimum wird die Position des versteckten Defekts erhalten.
      3. Klicken Sie auf "Auswerten", um die Datenanalyse durchzuführen. Lesen Sie die berechnete Position des Defekts aus dem Feld "CrackPosition [mm]". Die Defektposition ist im Fenster von Abbildung 10d dargestellt.

    figure-protocol-2
    Abbildung 3: Foto des experimentellen Aufbaus mit hervorgehobenem optischen Weg (rote Linie). Die Laserfaserhalterung ist an der Faser des Diodenlasers befestigt. Der Strahl wird durch das Teleskop auf den Eintrittsdurchmesser des PDK eingestellt. Vor dem Betreten des PDK wird der Strahl durch den Strahlprobennehmer aufgeteilt und vom Leistungsmesser überwacht. Innerhalb des PDK wird der Strahl homogenisiertNd projiziert auf eine DMD. Das PDM, gesteuert von der LPPT-Steuerungssoftware, projiziert Beleuchtungsmuster zur Probe. Das projizierte Licht wird photothermisch umgesetzt und erwärmt die Probe. Die Temperatur wird durch eine IR-Kamera über die von der Probenoberfläche emittierte Wärmestrahlung (orange Linie) gemessen. Die Probe selbst wird auf der linearen Translationsstufe positioniert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

    figure-protocol-3
    Abbildung 4: Foto-Sequenz, die die Einstellung des Versuchs-Setups zeigt. ( A ) Draufsicht auf das Versuchsaufbau zeigt einen Überblick. ( B ) Ausrichtung des Teleskops: Das Fadenkreuz wird verwendet, um die Linse auf die optische Achse des Laserstrahls zu zentrieren. ( C ) Ausrichten der optischen Elemente: Ein Stabsystem mounteD zur optischen Bank wird verwendet, um den optischen Strahl relativ zur Bank auszurichten. Eine höhenfeste Iris wird verwendet, um den Strahl parallel zur Bank zu halten. ( D ) Foto der Seitenansicht der Kopplungsstelle zwischen Projektor und Balken. Das Fadenkreuz wird verwendet, um den Projektor auf den Balken auszurichten. ( E ) Bestimmung der Übertragung des Projektorsystems: Das Leistungsmessgerät dient zur Messung der optischen Leistung vor und nach dem Projektor. ( F ) Bestimmung des Strahlprofils: Pinhole und ND1-Filter sind an der Diode angebracht, die über zwei lineare Stufen durch das projizierte Bild bewegt wird. Der Projektor muss so konfiguriert sein, dass er ein weißes Bild projiziert. ( G ) Positionierung der Infrarotkamera an die Probe über einen Goldspiegel: Die Probe muss in der Bildebene des Projektors positioniert werden. Um die Leistungsdichte zu steuern, können die an dem Objektiv angebrachten Objektiv- und Zusatzlinsen verwendet werden. ( H ) BestimmungDer Skala zwischen projiziertem Bild, IR-Kamerabild und der tatsächlichen Länge der Probe. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

    figure-protocol-4
    Abbildung 5: Software-Screenshots ( A ) Screenshot von LPPT Lasersteuerungssoftware. ( B ) PDK-Steuerungssoftware: Die Schritte i.1 bis i.3 zeigen, wie man den PDK als gewöhnlichen Projektor konfiguriert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

    figure-protocol-5
    Abbildung 6: Korrektur des inhomogenen Strahlprofils ( A ) Strahlprofil des projizierten Weißbildes (Vollbeleuchtung) von a Fotodiode, die durch das Profil bewegt wurde. Die Daten zeigen ein inhomogenes Strahlprofil mit einem prominenten Peak in der Mitte. ( B ) Das Querschnittslinienprofil entsprechend der roten Linie in a). ( C ) Korrekturbild, das auf dem SLM mit dem projizierten weißen Bild überlagert ist, um das Niveau der Inhomogenität zu reduzieren. ( D ) Das entsprechende Querschnittslinienprofil der roten Linie in c). ( E ) resultierendes Strahlprofil nach Korrektur, das ein Profil näher an einem Hutprofil zeigt. ( F ) Das entsprechende Querschnittslinienprofil der roten Linie in e). ( G ) Beleuchtungsprofil zweier korrigierter Muster. Die Muster werden mit der gleichen Frequenz und Amplitude moduliert, aber mit entgegengesetzten Phasen, die eine Zone zerstörerischer Interferenz zwischen den Mustern erzeugen. ( H ) Das entsprechende Querschnittslinienprofil der roten Linie in g). Ve.com/files/ftp_upload/55733/55733fig6large.jpg "target =" _ blank "> Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

    figure-protocol-6
    Abbildung 7: Probenvorbereitung. ( A ) Photographie der Probenoberfläche mit einem Block aus schwarzem Stahlblech St37 (20 mm x 0,5 mm x 15 mm). ( B ) Transparente CAD-Zeichnung der Untergrunddefekte. Die Defekte befinden sich 40 mm von der rechten Seite. ( C ) Seitenansicht der Proben, die die idealisierten Defekte in verschiedenen Tiefen unterhalb der Oberfläche zeigen (Seite 1 = 0,25 mm, Seite 2 = 0,5 mm, Seite 3 = 0,7 mm, Seite 4 = 1,25 mm). Die Probenseiten sind unbeschichtet, um Wärmeverluste zu reduzieren. Die zweite Probe (nicht gezeigt) hat ihre Untergrunddefekte an: Seite 1 = 1 mm, Seite 2 = 1,5 mm, Seite 3 = 1,75 mm, Seite 4 = 2 mm.= "_ Blank"> Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

    figure-protocol-7
    Abbildung 8: Screenshots der IR-Kamera-Steuerungssoftware. Die Schritte i.1 bis i.5 zeigen, wie die IR-Kamera für die Datenerfassung konfiguriert wird. ( A ) Screenshot von "Camera" -Panel: Die IR-Kamera kann über die Schaltfläche "Connect" an den IR-Kamera-Steuer-PC angeschlossen werden. Das Bedienfeld "Remote" (b) und das Erfassungsfeld (d & e) können von hier aus erreicht werden. Weiterhin kann die Messung über die Schaltfläche "Record" gestartet werden. ( B ) Screenshot des Bedienfeldes "Acquisition": Die IR-Kamera muss über "Ext / Sync" konfiguriert werden, um einen Frame zu erfassen, wenn er einen 5 V TTL Trigger empfängt. ( C ) Screenshot von "Measure" -Panel: Der Datenanzeigebereich kann über die Schaltfläche "Selection" eingestellt werden. Punkt- und LinienwerkzeugeWerden verwendet, um das IR-Kamerabild auf reale Weltkoordinaten zu kalibrieren. ( D ) Screenshot von IR-Kamera Fernbedienung "Calibrations" Panel. Ein kleiner Messbereich (-10 bis 60 ° C) muss gewählt werden, um eine hohe Empfindlichkeit zu erreichen. ( E ) IR-Kamera-Fernbedienung: "Process-IO", "IN1" und "IN2" müssen aktiviert sein, um die IR-Kamera auszulösen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

    figure-protocol-8
    Abbildung 9: Screenshots der LPPT-Steuerungssoftware. Der Workflow für Benutzerinteraktionen mit der Software ist mit den Schritten i.1 bis i.14 markiert. ( A ) Screenshot des LPPT Hauptpanels; "Aktiviert?" Ist ein boolescher Typ und aktiviert die Bühne, wenn es wahr ist. "Start-" und "EndPosiDie "Start Measurement" -Taste startet die Messung, öffnet das im Panel (b) gezeigte Dialogfenster und stoppt die Messung, wenn es false ist. Die Schaltfläche "Velocity" ist in mm / s definiert. ( B ) Screenshot der Benutzeroberfläche, die verwendet wird, um die Muster zu erzeugen, die auf die Probe projiziert werden Eine Farbe wird gewählt, um einen Bereich von Pixeln darzustellen Der Bereich wird durch Zeichnen von Rechtecken auf das Bild ausgewählt Wenn die Schaltfläche "Bereich definieren" gedrückt wird, Das Panel, das im Panel (c) angezeigt wird, wird auftauchen, um die Eigenschaften des Bereichs zu definieren. Nach dem Definieren aller Bereiche wird die Schaltfläche "calc Frames" einen Satz von Bildern berechnen. "Load Correction" gibt ein Dialogfenster zum Laden der Korrektur Bild, um ein inhomogenes Strahlprofil zu vermeiden, die Schaltfläche "Start" startet die Messung ( c ) Screenshot der Benutzeroberfläche, mit der die Eigenschaften eines Musters eingestellt werden, der obere Rahmen zeigt den Signaltyp (Sinuswelle), die PhasenverschiebungIn Grad und Frequenz in Hz. Der untere Rahmen zeigt Rahmen pro Periode, Amplitude von 1 bis 127 und Laserspannung (0 V bis 10 V = 0 W bis 500 W). Frames pro Periode ist der Wert, der darstellt, wie fein eine Periode diskretisiert wird. Nachdem die Schaltfläche "Weiter" (weiter) gedrückt wird, erscheint ein Dialogfenster und fragt nach Kamerabildrate in Hz und Umschaltgeschwindigkeit in Hz. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

    figure-protocol-9
    Abbildung 10: Screenshots der LPPT-Nachbearbeitungssoftware. ( A ) Laden und transformieren Sie das native IR-Kameradatenformat. ( B ) Umwandlung der Rahmenmatrix zu dem Projektorkoordinatensystem unter Verwendung der Umwandlungspunkte P1x bis P4y. ( C ) L1x bis L2y repräsentieren die Pixelkoordinaten der ausgewerteten Zeile. &"V" ist die Geschwindigkeit in mm / s, "xStart" die Ausgangsposition der Bühne in mm, "FrameRate" und "Frequency", "xR" und "Frequency" sind experimentelle Parameter "Fit Degree", "Glättung" und "Hilbert" sind Auswertungsparameter. Fit Degree repräsentiert den Grad der Polynompassung, "Glättung" stellt die Anzahl der Elemente für einen gleitenden Mittelfilter dar, der zur Reduzierung von Rauschen verwendet wird Der Parameter "Hilbert" wird verwendet, um den Glättungsgrad einzustellen, um das Minimum der Kurve zu finden. ( D ) Screenshot des Ergebnisses, das die Rissposition als vertikale gepunktete Linie anzeigt. Klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur anzuzeigen .

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    Ergebnisse

    Nach dem Protokoll wurde die Seite 1 der Stahlprobe mit einem Untergrunddefekt in einer Tiefe von 0,25 mm gewählt, um repräsentative Ergebnisse zu erzeugen. Der Defekt wurde zunächst etwa in der Mitte des beleuchteten Bereichs positioniert. Die Probe wurde dann von -5 mm auf 5 mm über die lineare Stufe mit einer Geschwindigkeit von 0,05 mm / s bewegt. Unter Verwendung dieser Parameter zeigt Abbildung 11a die Scan-Daten nach dem Extrahieren aus der Verarmungslinie. In die...

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    Diskussion

    Das vorgestellte Protokoll beschreibt, wie man künstliche Untergrunddefekte senkrecht zur Oberfläche lokalisiert. Der Grundgedanke der Methode besteht darin, interferierende thermische Wellenfelder zu erzeugen, die mit dem Untergrunddefekt in Wechselwirkung treten. Die wichtigsten Schritte sind (i) die Kombination eines SLM mit einem Diodenlaser, um zwei alternierende Hochleistungsbeleuchtungsmuster an der Probenoberfläche zu erzeugen; Diese Muster werden photothermisch in kohärente thermische Wellenfelder umgewandelt, ...

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    Offenlegungen

    Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

    Danksagungen

    Wir danken Taarna Studemund und Hagen Wendler für das Fotografieren des Versuchsaufbaus und die Vorbereitung auf die Figurenveröffentlichung. Darüber hinaus möchten wir uns bei Anne Hildebrandt für die Probenvorbereitung und Sreedhar Unnikrishnakurup, Alexander Battig und Felix Fritzsche für die Korrektur danken.

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    Materialien

    Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
    NameUnternehmenKatalognummerKommentare
    500 W Diodenlasersystem, 940 nmLaserlineLDM 500 - 20Pilotlaser Klasse 2 @ 650  nm, Diodenlaser ist ein Lasersystem der Klasse 4 --> spezielles Labor benötigt
    LasersteuerkastenLaserline LasersteuerkastenLDMAdd-on zum Lasersystem, zum elektronischen Schalten, Laserschwelle, Shutter, Laser auf 0 V.. 5 V TTL
    Steuerkasten ScannerLaserlineAdd-on zum Lasersystem, mit dem die optische Ausgangsleistung über ein analoges Signal von 0 V eingestellt werden kann. 10 V
    Faserlaserhalterung 2", f = 80 mmLaserlineAdd-on zum Lasersystem
    Multifunktionsgerät zur Datenerfassung (DAQ) + BNC-AnschlussNational InstrumentsNI-USB 6251Die Datenerfassungskarte wird zum Triggern der IR-Kamera  des DLP Light Commander 5500, zur Steuerung des Lasers und der Diode PDA 36A
    Standard - PC Steuerung PC - Grafikkarte für zwei Bildschirme, mind. 4 x USB, Windows-basiertes
    BNC-KabelStandardkabel
    HDMI-KabelStandardkabel
    Micro-USB-auf-USB-KabelStandardkabel
    LabVIEW 2013 SP1 EntwicklungssystemNational InstrumentsEntwicklungsumgebung für die Gerätesteuerung
    LPPT SteuerungssoftwareBAMTeil des LPPT-Softwarepakets von LabVIEW 2013 SP1
    LPPT Intensität  SoftwareBAMTeil des LPPT-Softwarepakets von LabVIEW 2013 SP1
    LPPT LasersteuerungssoftwareBAMTeil des LPPT-Softwarepakets von LabVIEW 2013 SP1
    Matlab 2016bMathWorksNachbearbeitung der Messdaten
    LPPT Postprocessing SoftwareBAMNachbearbeitung der Messdaten
    IR Kamerasteuerung PCInfraTecControl PC wird vom Kameradistributor
    geliefert IR KamerasteuerungssoftwareInfraTecIrbis 3 Professional
    InfraTec SDKInfraTecDynamic Link Library als Schnittstelle zwischen dem nativen Datenerfassungsformat von Infratec und Matlab
    IR-KameraInfraTecImage IR 8300640 x 512, gekühlter InSb-Detektor, Wellenlänge 2  µm.. 5.7 & Mikro; m, Rauschen = 20  mK + Zubehör (LAN-Kabel, Digital In/Out-Kabel, Leerlaufring, Netzteil, Koffer)
    StativManfrotto161MK2B
    IR-KamerahalterungManfrotto405
    Projector Development Kit (PDK) für Digital Light Processing (DLP) Technologie (DLP Light Commander 5500)Logic PDDLP-LC-DLP5500-10RDLP5500 Digital Micromirror Device von Texas Instruments im Lieferumfang enthalten, Light Engine und Gehäuse müssen demontiert werden
    PDK-SteuerungssoftwareLogic PDIm Lieferumfang enthalten, DLP Light Commander Steuerungssoftware
    Mechanische Plattform für den PDKBAMEigenbau (140 x 230 x 420) mm3
    Powermeter-SteuergerätOphirVegaUSB-Schnittstelle
    30 W Leistungsmesser-Kopf Ophir30(150)A-LP1-18Leistungsmesserkopf zur Bestimmung Übertragung des Projektorsystems
    500 W LeistungsmesserkopfOphirFL500ALeistungsmesser zur Prozessüberwachung
    Motion ControllerNewportESP301mit USB-Schnittstelle
    ÜbersetzungstischNewportM-ILS200CCAngeschlossen an ESP301
    Fotodiode mit VerstärkerThorlabsPDA 36A-EC1"
    Halterung Reflexionsfilter ND1ThorlabsND10Azur Montage an der PDA 36A
    Lochblende 1"ThorlabsP1000Szur Montage an der PDA 36A
    Optisches Aluminium-Steckbrett ThorlabsMB60120/M(1.200 mm x 900 mm) Basis
    Plano Konvexe Linse f = 200 mmThorlabsLA1979-BBeschichtet für IR, erste Teleskoplinse
    Plano Konvexe Linse f = 75 mmThorlabsLA1145-BBeschichtet für IR, zweite Teleskoplinse
    xy-TranslationstischNewportM401Wird zum Einstellen des
    Teleskops verwendet BeamsamplerThorlabsBSF20-B Teilt den optischen Ausgang auf, um den optischen Eingang für das Projektorsystem zu reduzieren
    SpiegelThorlabsBB2-E03Spiegel zur Kopplung des Strahls an den DLP Light Commander
    Heavy duty LaborbuchseThorlabsL490Wird für die Faserhalterung und auf dem Lineartisch verwendet, um die Probe zu positionieren (2x)
    PDK-Objektiv NikonNikon AF Nikkor 50 mm 1:1:8:D Objektiv für DLP Light Commander, 50 mm
    Plankonvexe Linse f = 100 mmThorlabsLA1050 -BObjektiv wird an das Nikon Objektiv
    Bikonvexe Linse f = 60  mmThorlabsLB1723 -BObjektiv zum Befestigen am Nikon Objektiv zur Bestimmung der optischen Transmission mit dem 30 W Messkopf
    Vierkant geschützter GoldspiegelThorlabsPFSQ20-03-M01
    High Power IR SensorkarteNewportF-IRC-HP-MSensorkarte zur Überprüfung des Strahlenweges
    2" FadenkreuzBAMEigenbau
    1" FadenkreuzBAMSelbstgemacht
    Bullseye NivellierungThorlabsLCL01
    TranslationstischNewportM-UMR8.25Wird zur Messung des Strahlprofils
    verwendet MikrometerschraubeNewportDM17-25Wird mit Translationstisch M-UMR8.25
    Mounted Zero Aperture IrisThorlabsID75Z/Mwird verwendet, um die optische Blende zu überprüfen
    Bahnsockel und Pfostenhalter Essentials Kit, metrische und universelle KomponentenThorlabsESK01/M
    Basispfosten & Zubehör Essentials Kit, metrische und universelle KomponentenThorlabsESK03/M
    M6 Zylinderschraube und Hardware-KitThorlabsHW-KIT2/M
    BauschienenThorlabsXE25L700/M
    1" Construction CubeThorlabsRM1GWird zur Montage von Bauschienen
    FunkenerosionBearbeitung SodickAG60Lwww.sodick.de
    St37 Block Stahl
    (100 x 100 x 40) mm3    		BAMEigenbau, versteckter Defekt mit Restwandstärken von 0,25  mm, 0,5 mm, 0,70 mm, 1,25  mm (dargestellt in Bild 5)
    St37 Block aus Stahl
    (100 x 100 x 40) mm    		BAMEigenbau, versteckter Defekt mit Restwandstärken von 1  mm, 1,5  mm, 1,75 mm, 2 mm (abgebildet in Abbildung 5)
    GraphitsprayCRC Industries Europe NVGRAPHIT 33Ref. 20760, 200 mL Aerosol (Kontakt-Chemie)
    SchutzbandTesatesakrepp 4348zum Schutz der versteckten Defekte beim Beschichten
    verwendet

    Referenzen

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