Untergrundfehler-Lokalisierung durch strukturierte Erwärmung mittels laserprojektierter photothermischer Thermografie

Das übergeordnete Ziel dieser Methode besteht darin, strukturierte Erwärmung und hochaufgelöste thermische Bildgebung auf nicht zerstörende und berührungslose Weise anzuwenden, um unterhalb der Oberfläche liegende Fehler zu lokalisieren, die senkrecht zur Oberfläche einer Stahlprobe orientiert sind. Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen im Bereich der Thermografie zu beantworten. Zum Beispiel: Wie klein und wie tief darf ein Fehler sein, um noch detektiert werden zu können?

Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass wir thermische Wellenfelder erzeugen können, die in der Beobachtungsebene propagieren, wodurch das Verfahren äußerst empfindlich gegenüber senkrecht orientierten Defekten ist. Dieses laserprojizierte photothermische Thermographiesystem ist auf einer optischen Bank aufgebaut. Das System hat bereits die meisten Vorbereitungsschritte durchlaufen, die für den Einsatz in einem Experiment erforderlich sind.

Am Anfang der Strahlbahn befindet sich die Laserquelle. Diese Laserfaser wird von einer Laserfasermontage gehalten. Danach reduziert ein Teleskop den Strahldurchmesser des Lasers auf eine geeignete Größe für den späteren Verlauf der Strahlbahn.

Hinter dem Strahlteiler absorbiert ein 500-Watt-Leistungsmesskopf einen Großteil der Strahlenergie, sodass der Laser mit voller Leistung betrieben werden kann. Vom Strahlteiler aus verläuft der Strahl über einen Spiegel zu einem Projektor-Entwicklungskit. Dabei handelt es sich um einen zerlegten kommerziellen Projektor, bei dem die Lichtquelle und die Linsen entfernt wurden.

Befestigen Sie für das Experiment den Strahl so, dass er in den Projektor eintritt. Nach dem Durchlaufen des Projektors trifft der Strahl auf die Probe, die auf einer computergesteuerten Translationsstufe montiert wird. Um diesen Aufbau abzuschließen, besorgen Sie sich eine Linse mit einer Brennweite von 100 Millimetern für den Projektor.

Befestigen Sie die Linse direkt vor der Translationsstufe am Projektionsobjektiv. Verwenden Sie als Nächstes eine LED-Taschenlampe als Lichtquelle für den Projektor. Platzieren Sie ein weißes Blatt Papier vor dem Objektiv und bewegen Sie es, bis ein scharf umrissenes, beleuchtetes Rechteck auf dem Papier erscheint, das die Position der Bildebene anzeigt.

Zu diesem Zeitpunkt eine Probe für die Verwendung im Experiment entnehmen. Die Probe im Strahlengang auf der linearen Translationsstufe, die mit einem Labjack ausgestattet ist, befestigen. Die Probe mithilfe des Labjacks so anheben, dass ihre Oberseite mit der Oberkante des projizierten Rechtecks übereinstimmt.

Stellen Sie sicher, dass sich ein Defekt innerhalb des beleuchteten Bereichs in der Bildebene befindet. Richten Sie anschließend eine Infrarot-Aufnahme ein, indem Sie zunächst einen Goldspiegel auf einem Stativ beschaffen. Der Spiegel wird den gestreuten Strahl zur Kamera reflektieren.

Befestigen Sie den Spiegel an einem Stativhalter in der Nähe des Projektors. Er sollte den oberen Rand der Probe reflektieren und so geneigt sein, dass möglichst große Teile der Probenoberfläche sichtbar sind. Das vom Spiegel reflektierte Licht tritt in eine Infrarotkamera ein, die auf einem Stativ montiert ist.

Platzieren Sie die Kamera in Höhe des Projektivobjektivs, sodass sie das projizierte weiße Bild über den Goldspiegel wahrnimmt. Richten Sie die Kamera so ein, dass sie vom Computer gesteuert wird, und lassen Sie sie auf Betriebstemperatur aufheizen. Nachdem Sie die Kamera mit der Steuerungssoftware verbunden haben, nehmen Sie ein Stahllineal zur Hand.

Halten Sie das Lineal an der Oberfläche der Probe und fokussieren Sie die Kamera manuell darauf. Der Temperaturkontrast zum Stahllineal unterstützt den Fokussierprozess. Arbeiten Sie darauf hin, das schärfste Bild zu erzielen.

Einer der kritischsten Schritte besteht darin, eine ausreichende laterale Auflösung an der Probenoberfläche zu erreichen. Dies ist wichtig, weil die Abbaulinie aufgelöst werden muss. Stellen Sie mithilfe der Lasersoftware die Laser-Spannung auf 10 Volt ein und starten Sie den Laser.

Arbeiten Sie mit der Kamerasoftware, um die Beziehung zwischen Projektor und Kamera einzustellen. Wählen Sie „Messen“ aus den Optionen oben aus. Gehen Sie zur Messbereichs-Symbolleiste und wählen Sie die Option „Kreuz-Werkzeug“.

Wenn der Laser eingeschaltet ist, wird ein thermisches Bild erscheinen. Verwenden Sie das Werkzeug, um die Ecken des Bildes zu markieren, indem Sie mit der linken Maustaste auf den Rahmen klicken, und notieren Sie anschließend die Koordinaten. Die Kamera-Steuerungssoftware muss für das Experiment konfiguriert sein.

Beginnen Sie damit, zum Kamerapanel zu wechseln. Klicken Sie dort auf die Schaltfläche „Remote“, um das Fernbedienungspanel zu öffnen. Wählen Sie dort in der Dropdown-Liste die Option „Process-IO“ aus.

Klicken Sie anschließend auf die Option „Sync In“ und die Option „Gate“. Schließen Sie danach das Menü. Öffnen Sie im Reiter „Acquisition Parameters“ das Erfassungsmenü.

Wählen Sie Externe Synchronisierung aus dem Dropdown-Menü. Geben Sie Datei- und Ordnernamen im Feld Ordner an. Wechseln Sie dann zum Feld Anzahl und geben Sie die zuvor berechnete Anzahl von Bildern ein, und schließen Sie das Aufnahmemenü.

Starten Sie die Datenaufnahme der Kamera, indem Sie „Record“ auswählen. Wechseln Sie nun zur Experimentsteuerungssoftware. Klicken Sie auf „Activate“, um den Bewegungscontroller zu aktivieren.

Als Nächstes bearbeiten Sie die Start- und Endpositionen in Millimetern, um den Defekt in die Messung einzubeziehen. Danach geben Sie die Geschwindigkeit in Millimetern pro Sekunde ein. Klicken Sie auf „Messung starten“.

Klicken Sie mit der linken Maustaste auf das Feld „Choose Area Color“. Wählen Sie im Farbdialog eine Farbe für den Musterbereich aus. Gehen Sie zur Zeichen-Symbolleiste und wählen Sie das Rechteck-Werkzeug aus.

Wechseln Sie zum Bildbereich und verwenden Sie das Werkzeug, um ein Rechteck zu erstellen, das mit der zuvor gefundenen Projektor-Pixel-Domäne übereinstimmt. Fahren Sie fort, indem Sie auf Bereich definieren klicken. Das Dialogfeld ermöglicht die Einstellung der Eigenschaften des projizierten Musters.

Wählen Sie im Dropdown-Menü „Signal Type“ die Option Sinuswelle. Um die Sinuswelle zu definieren, setzen Sie das Feld Phasenverschiebung auf null Grad. Stellen Sie außerdem die Frequenz in Hertz ein.

Stellen Sie die Amplitude auf das Maximum ein. Gehen Sie anschließend zum Feld Spannung, um die Laserspannung in Volt einzugeben. Tragen Sie im Feld Bilder pro Periode einen zuvor berechneten Wert ein.

Klicken Sie auf Weiter. Führen Sie analoge Schritte durch, um ein zweites Rechteck in einer anderen Farbe mit einer Phasenverschiebung von 180 Grad zu erstellen. Sehen Sie sich die Abfolge der Bilder mithilfe eines Vorschauschiebereglers an.

Danach Start drücken, um das Experiment zu beginnen. Die Translationsstufe bewegt die Probe langsam durch den gewählten Bereich, wodurch verschiedene Regionen der projizierten oszillierenden strukturierten Beleuchtung ausgesetzt werden. Die gesamte Durchlaufzeit für dieses Experiment beträgt 200 Sekunden.

Während sich die Probe bewegt, erfasst die thermische Infrarotkamera Wärmebilder mit 40 Hertz. Diese Abfolge von Wärmebildern zeigt beispielhaft die durch die Beleuchtung erzeugten thermischen Wellenfelder. Beenden Sie das Experiment, sobald alle Bilder erfasst wurden.

Laden Sie die Datenframes zur Durchführung der erforderlichen Nachbearbeitung in die Nachbearbeitungssoftware. Nach der Konvertierung der Daten geben Sie die zuvor ermittelten Koordinaten der Projektionspunkte ein. Klicken Sie auf Transformieren, um die Daten in den Pixelbereich des Projektors zu überführen.

Um Temperaturinformationen zu extrahieren, definieren Sie die Ausschöpfungslinie, indem Sie die Koordinaten für zwei Punkte eingeben. Geben Sie die Parameter für die Geschwindigkeit in der Startposition der Probe während des Experiments ein. Geben Sie außerdem die FrameRate der Infrarotkamera und die Frequenz der Sinuswelle des Musters ein.

Stellen Sie abschließend sicher, dass die Parameter für die Nachbearbeitung der Daten korrekt sind. Klicken Sie anschließend auf Auswerten. Die Rissposition wird im hervorgehobenen Feld angezeigt.

Diese Daten wurden von einer Testprobe mit einem Defekt in einer ungefähren Tiefe von 1/4 Millimeter gesammelt. Die Probe wurde mit 0,05 Millimetern pro Sekunde verschoben. Die schwarze Kurve stellt die Temperatur als Funktion der Zeit dar, die entlang der oberen horizontalen Achse aufgetragen ist.

Die Zeit kann auch in eine Position übersetzt werden, die entlang der unteren Achse liegt. Die durchgezogene rote Kurve stellt eine Anpassung an den nicht-osszillatorischen Anstieg der Temperatur dar. Die gestrichelte rote Linie zeigt die Position des Defekts an.

Hier sind dieselben Daten nach zusätzlicher Nachbearbeitung. Die blaue Kurve ist die Hilbert-Kurve und der Defekt ist minimal. Diese Daten wurden erfasst, nachdem die Scanngeschwindigkeit auf 0,1 Millimeter pro Sekunde verdoppelt wurde.

Im Vergleich zur ersten Messung ist die Dehnung gleich, aber die Schwingungsfrequenz ist verringert. Beachten Sie, dass die Probe an eine neue Position verschoben wurde, was sich in den Messungen widerspiegelt. Wenn das Protokoll mit einem Defekt verwendet wird, der einen Millimeter unter der Oberfläche liegt, kann dessen Position weiterhin bestimmt werden, jedoch mit größerer Unsicherheit. Beide Diagramme verwenden Daten, die mit einer Abtastgeschwindigkeit von 0,1 Millimetern pro Sekunde erfasst wurden.

Nach ihrer Entwicklung ebnete die Technik Forschern auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Prüfung den Weg, um die Verwendung von strukturierter Beleuchtung zu erforschen. Anschließend können andere und komplexere Beleuchtungsmuster verwendet werden, um weitere Defektarten zu finden. Bisher wurde nur Stahl untersucht, doch die Methode ist vielversprechend, insbesondere für Kunststoffe, Verbundwerkstoffe und andere sehr empfindliche Materialien, da die aufgebrachte thermische Belastung gering ist.

Die Engstelle des derzeitigen experimentellen Aufbaus ist die thermische Belastungsgrenze des räumlichen Lichtmodulators. Deshalb müssen wir auf die Messdauer achten, die nicht mehr als zwei bis drei Minuten betragen sollte. Bisher wurden nur zwei integrale Wärmequellen erzeugt.

Doch im Prinzip ist es mit diesem Aufbau möglich, bis zu einer Million Wärmequellen zu erzeugen und zu steuern, was ein weiteres Feld der beliebigen Formung normaler Wellen eröffnet. Nach dem Anschauen dieses Videos sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man Unterflächenfehler mithilfe der laserprojizierten photothermischen Thermografie lokalisieren kann. Vergessen Sie nicht, dass das Arbeiten mit einem Infrarotlaser der Klasse vier mit hoher Leistung äußerst gefährlich sein kann und dass stets Vorsichtsmaßnahmen wie das Tragen von Laserschutzbrillen getroffen werden sollten.