Method Article

Untergrundfehler-Lokalisierung durch strukturierte Erwärmung mittels laserprojektierter photothermischer Thermografie

DOI:

10.3791/55733

⸱

May 15th, 2017

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

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Abstract

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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.

Introduction

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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 Untergru....

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Protocol

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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 ....

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Results

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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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Discussion

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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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Disclosures

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Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Acknowledgements

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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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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
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

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Thiel, E., Kreutzbruck, M., Ziegler, M. Laser-projected photothermal thermography using thermal wave field interference for subsurface defect characterization. Appl. Phys. Lett. 109 (12), 123504(2016).
  2. Ibarra-Castanedo, C., Tarpani, J. R., Maldague, X. P. V. Nondestructive testing with thermography. Eur. J. Phys. 34 (6), 91-109 (2013).
  3. Maldague, X. P.

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Laser Projected Photothermal ThermographySubsurface Defect LocalizationStructured HeatingThermal Wave FieldsInfrared CameraSpatial Light ModulatorDepletion Line AnalysisSynchronization SetupPost Processing SoftwareNondestructive Testing

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