Localización del defecto subsuperficial mediante calentamiento estructurado mediante termografía fototérmica proyectada con láser

El objetivo general de este método es utilizar el calentamiento estructurado y las imágenes térmicas de alta resolución de una manera no destructiva y sin contacto para localizar defectos subsuperficiales orientados perpendicularmente a la superficie de una muestra de acero. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo de la termografía. Por ejemplo, qué tan pequeño y cuán profundo puede ser un defecto para ser detectado.

La principal ventaja de esta técnica es que podemos generar campos de ondas térmicas que se propagan en el plano de observación, lo que hace que el enfoque sea altamente sensible a los defectos orientados perpendicularmente. Este sistema de termografía fototérmica proyectada con láser está dispuesto en una placa de pruebas de sobremesa. Este sistema ha pasado por la mayoría de los pasos preparatorios necesarios para su uso en un experimento.

En la cabeza de la trayectoria del haz se encuentra la fuente láser. Esta fibra láser está soportada por un soporte de fibra láser. A continuación, un telescopio reduce el diámetro del haz del láser a un tamaño apropiado para su posterior en la línea del haz.

Detrás del muestreador de haz, un cabezal medidor de potencia de 500 vatios absorbe gran parte de la energía del haz para permitir que el láser funcione a plena potencia. Desde el muestreador de haz, el haz continúa a través de un espejo hasta un kit de desarrollo de proyector. Se trata de un proyector comercial desmontado al que se le han quitado el motor de luz y las lentes.

Para el experimento, colima el haz para que entre en el proyector. Después de pasar a través del proyector, el haz se encontrará con la muestra que se montará en una plataforma de traducción controlada por computadora. Para completar esta configuración, obtenga una lente de distancia focal de 100 milímetros para el proyector.

Coloque la lente en el objetivo del proyector justo antes de la etapa de traducción. A continuación, utilice una linterna LED como fuente de luz de entrada al proyector. Coloque una hoja de papel blanca frente al objetivo y muévala hasta que haya un rectángulo iluminado nítido en la hoja que indique la posición del plano de la imagen.

En este punto, obtenga una muestra para usarla en el experimento. Monte la muestra en la trayectoria del haz en la platina de traslación lineal equipada con un conector de laboratorio. Levante la muestra con el conector de laboratorio de modo que su parte superior esté alineada con la parte superior del rectángulo proyectado.

Asegúrese de que un defecto esté dentro del área iluminada en el plano de la imagen. A continuación, organice la fotografía infrarroja obteniendo primero un espejo dorado en un poste. El espejo reflejará el haz disperso a la cámara.

Monta el espejo en un soporte de poste cerca del proyector. Debe reflejar el borde superior de la muestra y estar inclinado para ver la mayor parte posible de la superficie de la muestra. La luz reflejada por el espejo entrará en una cámara infrarroja que está montada en un trípode.

Colóquelo a la altura del objetivo del proyector para que vea la imagen blanca proyectada a través del espejo dorado. Configure la cámara para que la controle la computadora y deje que se caliente. Después de conectar la cámara a su software de control, obtenga una regla de acero.

Sostenga la regla en la superficie de la muestra y enfoque manualmente la cámara en ella. El contraste de temperatura con la regla de acero ayuda a enfocar. Trabaja para lograr la imagen más nítida.

Uno de los pasos más críticos es lograr una resolución lateral suficiente en la superficie de la muestra. Esto es importante porque la línea de agotamiento debe ser resuelta. Utilice el software del láser para establecer el voltaje del láser a 10 voltios y encender el láser.

Trabaje con el software de la cámara en la relación entre el proyector y la cámara. Seleccione Medir en las opciones de la parte superior. Vaya a la barra de herramientas Medir áreas y elija la opción de herramienta cruzada.

Cuando el láser está encendido, habrá una imagen térmica. Utilice la herramienta para marcar las esquinas de la imagen haciendo clic con el botón izquierdo en el marco y luego anote las coordenadas. El software de control de la cámara debe estar configurado para el experimento.

Comience cambiando al panel de la cámara. Allí, haga clic en el botón Remoto para abrir el panel de control remoto. Allí, en el menú desplegable, elija la opción Proceso-E/S.

Además, haga clic en la opción Sincronizar entrada y en la opción Puerta. Después de esto, cierre el menú. En la pestaña Parámetros de adquisiciones, abra el menú Adquisición.

Elija Sincronización externa en el menú desplegable. Proporcione los nombres de archivos y carpetas en el campo Carpeta. A continuación, vaya al campo Recuento e introduzca el número de fotogramas calculado anteriormente y cierre el menú Adquisición.

Inicie la adquisición de datos de la cámara seleccionando Grabar. En este punto, vaya al software de control del experimento. Haga clic en Activar para activar el controlador de movimiento.

A continuación, edite las posiciones inicial y final en milímetros para incluir el defecto en el escaneo. Después de eso, ingrese la velocidad en milímetros por segundo. Haga clic en Iniciar medición.

Haga clic con el botón izquierdo en el campo Elegir color de área. En el cuadro de diálogo de color, seleccione un color para el área del patrón. Ve a la barra de herramientas de dibujo y elige la herramienta rectángulo.

Desplácese al área de la imagen y utilice la herramienta para crear un rectángulo coherente con el dominio de píxeles del proyector encontrado anteriormente. Continúe haciendo clic en Definir área. El cuadro de diálogo permite establecer las propiedades del patrón proyectado.

En el menú desplegable Tipo de señal, elija Onda sinusoidal. Para definir la onda sinusoidal, establezca el campo Cambio de fase en cero grados. Además, establezca la frecuencia en hercios.

Establezca la amplitud al máximo. A continuación, vaya al campo Voltaje para ingresar el voltaje del láser en unidades de voltios. En el campo Imágenes por período, introduzca un valor calculado anteriormente.

Haga clic en Siguiente. Siga pasos análogos para crear un segundo rectángulo de un color diferente con un cambio de fase de 180 grados. Obtenga una vista previa de la secuencia de imágenes usándolas en un control deslizante de vista previa.

A continuación, pulse Iniciar para comenzar el experimento. La etapa de traslación mueve lentamente la muestra a través del rango elegido para exponer diferentes regiones a la iluminación estructurada oscilante proyectada. El tiempo de tránsito total para este experimento es de 200 segundos.

A medida que la muestra se mueve, la cámara infrarroja térmica adquiere imágenes térmicas a 40 hercios. Esta secuencia de imágenes térmicas proporciona un ejemplo de los campos de ondas térmicas generados por la iluminación. Detenga el experimento cuando se hayan adquirido todos los fotogramas.

Para realizar el posprocesamiento necesario, cargue las tramas de datos en el software de posprocesamiento. Una vez convertidos los datos, inserte las coordenadas del punto de proyección encontradas anteriormente. Haga clic en Transformar para colocar los datos en el dominio de píxeles del proyector.

Para extraer información de temperatura, defina la línea de agotamiento introduciendo las coordenadas de dos puntos. Introduzca los parámetros de la velocidad en la posición inicial de la muestra durante el experimento. Introduzca también la velocidad de fotogramas y la frecuencia de onda sinusoidal del patrón de la cámara infrarroja.

Por último, asegúrese de que los parámetros de posprocesamiento de datos sean correctos. Cuando esté listo, haga clic en Evaluar. La posición de la grieta se muestra en el campo resaltado.

Estos datos se recogieron de una muestra de prueba con un defecto a una profundidad aproximada de 1/4 de milímetro. La muestra se trasladó a 0,05 milímetros por segundo. La curva negra representa la temperatura en función del tiempo, que se encuentra a lo largo del eje horizontal superior.

El tiempo también se puede traducir a una posición que está a lo largo del eje inferior. La curva roja sólida es un ajuste al aumento no oscilatorio de la temperatura. La línea roja discontinua indica la posición del defecto.

Aquí están los mismos datos después de un procesamiento posterior adicional. La curva azul es la curva de Hilbert y el defecto es mínimo. Estos datos se recopilaron después de duplicar la velocidad de escaneo a 0,1 milímetros por segundo.

En comparación con la primera medición, el alargamiento es el mismo pero la frecuencia de oscilación se reduce. Tenga en cuenta que la muestra se movió a una nueva posición, lo que se refleja en las mediciones. Cuando se utiliza el protocolo con un defecto a un milímetro por debajo de la superficie, aún se puede determinar su ubicación, pero con mayor incertidumbre. Ambas gráficas utilizan datos recopilados con una velocidad de escaneo de 0,1 milímetros por segundo.

Después de su desarrollo, la técnica allanó el camino para que los investigadores en el campo de las pruebas no destructivas exploraran el uso de la iluminación estructurada. Siguiendo este procedimiento, se pueden utilizar otros patrones de iluminación más complejos para encontrar otros tipos de defectos. Hasta ahora solo se ha probado el acero, pero el método es muy prometedor, especialmente para plástico, materiales compuestos y otros materiales muy sensibles debido al bajo estrés térmico que se aplica.

El cuello de botella de la configuración experimental actual es el límite de estrés térmico del modulador de luz espacial. Es por eso que tenemos que prestar atención al tiempo de medición, que no debe ser más de dos o tres minutos. Hasta ahora solo se han generado dos fuentes de calor integrales.

Pero en principio, con esta configuración es posible generar y controlar hasta un millón de fuentes de calor, lo que abre otro campo de conformación de ondas normales arbitrarias. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo localizar defectos subsuperficiales utilizando termografía fototérmica proyectada con láser. No olvide que trabajar con un láser infrarrojo de alta potencia de clase cuatro puede ser extremadamente peligroso y que siempre se deben tomar precauciones como el uso de gafas de protección láser.