Untergrundfehler-Lokalisierung durch strukturierte Erwärmung mittels laserprojektierter photothermischer Thermografie

Das übergeordnete Ziel dieser Methode ist es, durch strukturierte Erwärmung und hochauflösende Wärmebildgebung zerstörungsfrei und berührungslos Defekte unter der Oberfläche senkrecht zu einer Stahlprobenoberfläche zu lokalisieren. Diese Methode kann helfen, wichtige Fragen im Bereich der Wärmebildtechnik zu beantworten. Zum Beispiel, wie klein und wie tief ein Defekt sein kann, um erkannt zu werden.

Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass wir thermische Wellenfelder erzeugen können, die sich in der Betrachtungsebene ausbreiten, was den Ansatz sehr empfindlich gegenüber senkrecht ausgerichteten Defekten macht. Dieses laserprojizierte photothermische Thermografiesystem ist auf einem Tischbrett angeordnet. Dieses System hat die meisten vorbereitenden Schritte durchlaufen, die für die Verwendung in einem Experiment erforderlich sind.

Am Kopf des Strahlengangs befindet sich die Laserquelle. Diese Laserfaser wird von einer Laserfaserhalterung getragen. Als nächstes reduziert ein Teleskop den Strahldurchmesser des Lasers auf eine geeignete Größe für den späteren Zeitpunkt in der Strahllinie.

Hinter dem Strahlabnehmer absorbiert ein 500-Watt-Leistungsmesserkopf einen Großteil der Strahlenergie, damit der Laser mit voller Leistung arbeiten kann. Vom Strahlabnehmer geht es über einen Spiegel weiter zu einem Projektor-Entwicklungskit. Hierbei handelt es sich um einen zerlegten kommerziellen Projektor, bei dem die Light Engine und die Objektive entfernt wurden.

Kollimieren Sie für das Experiment den Strahl, um in den Projektor einzutreten. Nach dem Passieren des Projektors trifft der Strahl auf die Probe, die auf einem computergesteuerten Übersetzungstisch montiert wird. Um diese Einrichtung abzuschließen, besorgen Sie sich ein Objektiv mit einer Brennweite von 100 Millimetern für den Projektor.

Befestigen Sie das Objektiv kurz vor der Translationsphase an dem Projektorobjektiv. Verwenden Sie als Nächstes eine LED-Taschenlampe als Eingangslichtquelle für den Projektor. Positionieren Sie ein weißes Blatt Papier vor dem Objektiv und bewegen Sie es, bis sich auf dem Blatt ein scharfes, beleuchtetes Rechteck befindet, das die Position der Bildebene anzeigt.

Entnehmen Sie an dieser Stelle eine Probe für den Versuch. Montieren Sie die Probe im Strahlengang auf dem linearen Translationstisch, der mit einer Laborbuchse ausgestattet ist. Heben Sie die Probe mit dem Laborheber an, sodass ihre Oberseite mit der Oberseite des projizierten Rechtecks übereinstimmt.

Stellen Sie sicher, dass sich ein Defekt innerhalb des beleuchteten Bereichs in der Bildebene befindet. Vereinbaren Sie als Nächstes eine Infrarotfotografie, indem Sie zuerst einen goldenen Spiegel auf einem Pfosten besorgen. Der Spiegel reflektiert den gestreuten Strahl zur Kamera.

Montieren Sie den Spiegel an einer Pfostenhalterung in der Nähe des Projektors. Er sollte den oberen Rand der Probe reflektieren und abgewinkelt sein, um so viel wie möglich von der Probenoberfläche zu sehen. Vom Spiegel reflektiertes Licht gelangt in eine Infrarotkamera, die auf einem Stativ montiert ist.

Positionieren Sie es auf der Höhe des Projektorobjektivs, so dass es das projizierte weiße Bild über den goldenen Spiegel sieht. Stellen Sie die Kamera so ein, dass sie vom Computer gesteuert werden kann, und lassen Sie sie aufwärmen. Nachdem Sie die Kamera mit der Steuerungssoftware verbunden haben, besorgen Sie sich ein Stahllineal.

Halten Sie das Lineal an die Oberfläche der Probe und fokussieren Sie die Kamera manuell darauf. Der Temperaturkontrast zum Stahllineal hilft bei der Fokussierung. Arbeiten Sie daran, das schärfste Bild zu erzielen.

Einer der wichtigsten Schritte ist das Erreichen einer ausreichenden lateralen Auflösung an der Probenoberfläche. Das ist wichtig, weil die Erschöpfungslinie aufgelöst werden muss. Stellen Sie mit der Lasersoftware die Laserspannung auf 10 Volt ein und starten Sie den Laser.

Arbeiten Sie mit der Kamerasoftware an der Beziehung zwischen dem Projektor und der Kamera. Wählen Sie Messen aus den Optionen oben aus. Wechseln Sie zur Symbolleiste Bereiche messen, und wählen Sie die Option Kreuzwerkzeug aus.

Wenn der Laser eingeschaltet ist, wird ein Wärmebild angezeigt. Verwenden Sie das Werkzeug, um die Ecken des Bildes zu markieren, indem Sie mit der linken Maustaste auf den Rahmen klicken und dann die Koordinaten notieren. Die Kamerasteuerungssoftware muss für das Experiment konfiguriert werden.

Wechseln Sie zunächst zum Kamerafenster. Klicken Sie dort auf die Schaltfläche Fernbedienung, um das Bedienfeld der Fernbedienung zu öffnen. Wählen Sie dort im Dropdown-Menü die Option Process-IO.

Klicken Sie außerdem auf die Option Sync In und die Option Gate. Schließen Sie danach das Menü. Öffnen Sie auf der Registerkarte Erwerbungsparameter das Menü Erwerbung.

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

Starten Sie die Kameradatenerfassung, indem Sie Aufzeichnen wählen. Wechseln Sie an dieser Stelle zur Experimentsteuerungssoftware. Klicken Sie auf Aktivieren, um den Motion-Controller zu aktivieren.

Bearbeiten Sie als Nächstes die Start- und Endposition in Millimetern, um den Defekt in den Scan einzubeziehen. Geben Sie danach die Geschwindigkeit in Millimetern pro Sekunde ein. Klicken Sie auf Messung starten.

Klicken Sie mit der linken Maustaste auf das Feld Bereichsfarbe auswählen. Wählen Sie im Farbdialog eine Farbe für den Musterbereich aus. Gehen Sie zur Zeichensymbolleiste und wählen Sie das Rechteckwerkzeug aus.

Wechseln Sie in den Bildbereich und verwenden Sie das Werkzeug, um ein Rechteck zu erstellen, das mit der zuvor gefundenen Pixeldomäne des Projektors übereinstimmt. Fahren Sie fort, indem Sie auf Bereich definieren klicken. Im Dialogfeld können Sie die Eigenschaften des projizierten Musters festlegen.

Wählen Sie im Dropdown-Menü Signaltyp die Option Sinuswelle aus. Um die Sinuswelle zu definieren, stellen Sie das Feld "Phasenverschiebung" auf null Grad ein. Stellen Sie zusätzlich die Frequenz in Hertz ein.

Stellen Sie die Amplitude auf das Maximum ein. Gehen Sie als Nächstes zum Feld Spannung, um die Laserspannung in Einheiten von Volt einzugeben. Geben Sie im Feld Bilder pro Zeitraum einen zuvor berechneten Wert ein.

Klicken Sie auf Weiter. Führen Sie die entsprechenden Schritte aus, um ein zweites Rechteck einer anderen Farbe in einer Phasenverschiebung von 180 Grad zu erstellen. Zeigen Sie eine Vorschau der Bildsequenz an, indem Sie sie in einem Vorschau-Schieberegler verwenden.

Drücken Sie dann auf Start, um das Experiment zu starten. Der Translationstisch bewegt die Probe langsam durch den gewählten Bereich, um verschiedene Bereiche der projizierten oszillierenden strukturierten Beleuchtung auszusetzen. Die Gesamtlaufzeit für dieses Experiment beträgt 200 Sekunden.

Während sich die Probe bewegt, nimmt die Wärmebildkamera Wärmebilder mit 40 Hertz auf. Diese Sequenz von Wärmebildern ist ein Beispiel für die thermischen Wellenfelder, die durch die Beleuchtung erzeugt werden. Beenden Sie das Experiment, wenn alle Frames erfasst wurden.

Um die erforderliche Nachbearbeitung durchzuführen, laden Sie die Datenrahmen in die Nachbearbeitungssoftware. Fügen Sie nach dem Konvertieren der Daten die zuvor gefundenen Projektionspunktkoordinaten ein. Klicken Sie auf Transformieren, um die Daten in die Pixeldomäne des Projektors einzufügen.

Um Temperaturinformationen zu extrahieren, definieren Sie die Erschöpfungslinie, 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 auch die FrameRate der Infrarotkamera und die Sinuswellenfrequenz des Musters ein.

Stellen Sie abschließend sicher, dass die Parameter für die Datennachbearbeitung korrekt sind. Wenn Sie fertig sind, klicken Sie auf Auswerten. Die Rissposition wird im hervorgehobenen Feld angezeigt.

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

Die Zeit kann auch in eine Position übersetzt werden, die sich entlang der unteren Achse befindet. Die durchgehende rote Kurve ist eine Anpassung an den nicht oszillatorischen Temperaturanstieg. Die gestrichelte rote Linie zeigt die Position des Defekts an.

Hier sind die gleichen Daten nach zusätzlicher Nachbearbeitung. Die blaue Kurve ist die Hilbert-Kurve und der Defekt ist auf einem Minimum. Diese Daten wurden gesammelt, nachdem die Scangeschwindigkeit auf 0,1 Millimeter pro Sekunde verdoppelt wurde.

Im Vergleich zur ersten Messung ist die Dehnung die gleiche, aber die Schwingungsfrequenz wird reduziert. Beachten Sie, dass die Probe an eine neue Position gebracht wurde, was sich in den Messungen widerspiegelt. Wenn das Protokoll mit einem Defekt einen Millimeter unter der Oberfläche verwendet wird, kann seine Position immer noch bestimmt werden, jedoch mit größerer Unsicherheit. Beide Diagramme verwenden Daten, die mit einer Scangeschwindigkeit von 0,1 Millimetern pro Sekunde gesammelt wurden.

Nach ihrer Entwicklung ebnete die Technik den Weg für Forscher auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Prüfung, um den Einsatz strukturierter Beleuchtung zu erforschen. Nach diesem Verfahren können andere und komplexere Beleuchtungsmuster verwendet werden, um andere Fehlertypen zu finden. Bisher wurde nur Stahl getestet, aber das Verfahren ist sehr vielversprechend, insbesondere für Kunststoffe, Verbundwerkstoffe und andere sehr empfindliche Materialien aufgrund der geringen thermischen Spannung, die aufgebracht wird.

Der Flaschenhals des aktuellen Versuchsaufbaus ist die thermische Belastungsgrenze des Raumlichtmodulators. Deshalb müssen wir auf die Messzeit achten, die nicht mehr als zwei bis drei Minuten betragen sollte. Bisher werden nur zwei integrale Wärmequellen erzeugt.

Prinzipiell ist es mit diesem Aufbau jedoch möglich, bis zu einer Million Wärmequellen zu erzeugen und zu steuern, was ein weiteres Feld der willkürlichen normalen Wellenformung eröffnet. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie mit Hilfe der laserprojizierten, photothermischen Thermografie Defekte unter der Oberfläche lokalisieren können. Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit einem Hochleistungs-Infrarotlaser der Klasse vier äußerst gefährlich sein kann und dass immer Vorsichtsmaßnahmen wie das Tragen einer Laserschutzbrille getroffen werden sollten.