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

El objetivo general de este método consiste en utilizar un calentamiento estructurado y una imagen térmica de alta resolución de forma no destructiva y sin contacto para localizar defectos subterráneos orientados perpendicularmente respecto a la superficie de una muestra de acero. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo de la imagen térmica. Por ejemplo, qué tan pequeños y qué tan profundos pueden ser los defectos para que puedan detectarse.

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 defectos orientados perpendicularmente. Este sistema de termografía fototérmica con proyección láser está dispuesto sobre una plataforma óptica de banco. Este sistema ha completado la mayor parte de los pasos preparatorios necesarios para su uso en un experimento.

Al comienzo del trayecto del haz se encuentra la fuente láser. Esta fibra láser está sostenida por un soporte para fibra láser. A continuación, un telescopio reduce el diámetro del haz láser a un tamaño adecuado para su uso posterior en la línea del haz.

Detrás del muestreador del haz, una cabeza de 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 del haz, el haz continúa a través de un espejo hacia un kit de desarrollo de proyector. Este es un proyector comercial desarmado, del cual se han eliminado el motor de luz y las lentes.

Para el experimento, colime el haz para que ingrese al proyector. Después de pasar a través del proyector, el haz encontrará la muestra, que estará montada sobre una etapa de traslación controlada por computadora. Para completar este montaje, obtenga una lente de 100 milímetros de distancia focal para el proyector.

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

En este momento, obtenga una muestra para usar en el experimento. Monte la muestra en la trayectoria del haz sobre la etapa de traslación lineal equipada con un elevador de laboratorio. Eleve la muestra con el elevador de laboratorio hasta que su parte superior esté alineada con la parte superior del rectángulo proyectado.

Asegúrese de que un defecto se encuentre dentro del área iluminada en el plano de la imagen. A continuación, organice la realización de fotografía infrarroja obteniendo primero un espejo de oro montado en un soporte. El espejo reflejará el haz disperso hacia la cámara.

Monte 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 desde el espejo entrará en una cámara infrarroja que está montada en un trípode.

Colóquelo a la altura del objetivo del proyector de manera que vea la imagen blanca proyectada a través del espejo dorado. Configure la cámara para que sea controlada por computadora y déjela calentar. Después de conectar la cámara a su software de control, obtenga una regla de acero.

Sujete la regla en la superficie de la muestra y enfoque manualmente la cámara sobre ella. El contraste de temperatura con la regla de acero facilita el enfoque. Trabaje para obtener la imagen más nítida posible.

Uno de los pasos más críticos consiste en lograr una resolución lateral suficiente en la superficie de la muestra. Esto es importante porque debe resolverse la línea de agotamiento. Utilice el software del láser para ajustar el voltaje del láser a 10 voltios e inicie el láser.

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

Cuando el láser esté encendido, habrá una imagen térmica. Utilice la herramienta para marcar las esquinas de la imagen haciendo clic izquierdo sobre el marco y luego anote las coordenadas. El software de control de la cámara debe configurarse para el experimento.

Comience por cambiar al panel de Cámara. Allí, haga clic en el botón Remoto para abrir el panel de control remoto. En ese menú desplegable, seleccione la opción Process-IO.

Además, continúe haciendo clic en la opción Sync In y en la opción Gate. Después de esto, cierre el menú. Desde la pestaña de parámetros de adquisición, abra el menú de adquisición.

Seleccione Sincronización externa en el menú desplegable. Proporcione los nombres de archivos y carpetas en el campo Carpeta. A continuación, desplácese al campo Cuenta e introduzca el número previamente calculado de cuadros y cierre el menú de Adquisición.

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

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

Haga clic izquierdo en el campo Elegir color de área. En el cuadro de diálogo de color, seleccione un color para el área del patrón. Vaya a la barra de dibujo y elija la herramienta de rectángulo.

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

En el menú desplegable Tipo de señal, seleccione Onda sinusoidal. Para definir la onda sinusoidal, ajuste el campo Desfase a cero grados. Además, establezca la Frecuencia en hercios.

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

Haga clic en Siguiente. Siga pasos análogos para crear un segundo rectángulo de un color diferente con un desfase de fase de 180 grados. Previsualice la secuencia de imágenes utilizando el control deslizante de vista previa.

Luego, presione Inicio para comenzar el experimento. La etapa de traslación mueve lentamente la muestra a través del rango seleccionado para exponer diferentes regiones a la iluminación estructurada oscilante proyectada. El tiempo total de tránsito 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 postprocesamiento necesario, cargue los marcos de datos en el software de postprocesamiento. Después de que los datos se hayan convertido, inserte las coordenadas del punto de proyección encontradas previamente. Haga clic en Transformar para colocar los datos en el dominio de píxeles del proyector.

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

Finalmente, asegúrese de que los parámetros de postprocesamiento 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 recopilaron a partir de una muestra de prueba con un defecto a una profundidad aproximada de 1/4 de milímetro. La muestra se desplazó a 0,05 milímetros por segundo. La curva negra representa la temperatura como una función del tiempo, que se encuentra a lo largo del eje horizontal superior.

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

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

En comparación con la primera medición, la elongación es la misma, pero la frecuencia de oscilación se reduce. Tenga en cuenta que la muestra se movió a una nueva posición, lo cual se refleja en las mediciones. Cuando el protocolo se utiliza con un defecto ubicado un milímetro por debajo de la superficie, su ubicación aún puede determinarse, pero con mayor incertidumbre. Ambas gráficas utilizan datos recopilados con una velocidad de barrido de 0.1 milímetros por segundo.

Tras su desarrollo, la técnica allanó el camino para que los investigadores en el campo de la prueba no destructiva exploraran el uso de la iluminación estructurada. Siguiendo este procedimiento, se pueden utilizar otros patrones de iluminación más complejos con el fin de detectar otros tipos de defectos. Hasta ahora solo se ha probado con acero, pero el método es muy prometedor, especialmente para plásticos, materiales compuestos y otros materiales muy sensibles debido al bajo esfuerzo térmico que se aplica.

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

Pero en principio, utilizando este montaje es posible generar y controlar hasta un millón de fuentes de calor, lo que abre un nuevo campo para la conformación arbitraria de ondas normales. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo localizar defectos subsuperficiales mediante termografía fototérmica con láser proyectado. 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 usar gafas de protección láser.