Localisation de défauts souterrains par chauffage structuré à l'aide d'une thermographie photothermique à laser

L'objectif général de cette méthode est d'utiliser un chauffage structuré et une imagerie thermique à haute résolution de manière non destructive et sans contact afin de localiser des défauts sous-jacents orientés perpendiculairement à la surface d'un échantillon d'acier. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans le domaine de l'imagerie thermique. Par exemple, quelle taille minimale et quelle profondeur maximale peut avoir un défaut pour être détecté.

L'avantage principal de cette technique est que nous pouvons générer des champs d'ondes thermiques qui se propagent dans le plan d'observation, ce qui rend l'approche très sensible aux défauts orientés perpendiculairement. Ce système de thermographie photothermique à projection laser est installé sur une platine expérimentale en configuration breadboard. Ce système a déjà subi la plupart des étapes préparatoires nécessaires à son utilisation dans une expérience.

À l'origine du trajet du faisceau se trouve la source laser. Cette fibre laser est fixée sur un support pour fibre laser. Ensuite, une lunette réduit le diamètre du faisceau laser à une taille appropriée pour la suite du trajet optique.

Derrière l'échantillonneur de faisceau, une tête de puissance de 500 watts absorbe une grande partie de l'énergie du faisceau afin de permettre au laser de fonctionner à pleine puissance. À partir de l'échantillonneur de faisceau, le faisceau se dirige par l'intermédiaire d'un miroir vers un kit de développement de projecteur. Il s'agit d'un projecteur commercial désassemblé, dont le moteur d'éclairage et les lentilles ont été retirés.

Pour l'expérience, collimater le faisceau afin qu'il pénètre dans le projecteur. Après avoir traversé le projecteur, le faisceau rencontrera l'échantillon, qui sera monté sur une platine de translation commandée par ordinateur. Pour finaliser ce montage, se procurer une lentille de 100 millimètres de distance focale destinée au projecteur.

Fixez l'objectif à l'objectif du projecteur juste avant le stade de translation. Ensuite, utilisez une lampe de poche LED comme source lumineuse d'entrée pour le projecteur. Placez une feuille de papier blanc devant l'objectif et déplacez-la jusqu'à l'obtention d'un rectangle éclairé net sur la feuille, indiquant la position du plan image.

À ce stade, prélevez un échantillon destiné à être utilisé dans l'expérience. Montez l'échantillon sur le parcours du faisceau, sur la platine de translation linéaire équipée d'un support réglable. Surélevez l'échantillon à l’aide du support réglable de manière que son sommet soit aligné avec le haut du rectangle projeté.

Veillez à ce qu'un défaut se trouve dans la zone éclairée dans le plan de l'image. Ensuite, préparez-vous à effectuer une photographie infrarouge en obtenant d'abord un miroir doré monté sur un support. Le miroir réfléchira le faisceau diffusé vers la caméra.

Monter le miroir sur un support à tige près du projecteur. Il doit refléter le bord supérieur de l'échantillon et être incliné de manière à visualiser une surface aussi grande que possible de l'échantillon. La lumière réfléchie par le miroir pénétrera dans une caméra infrarouge montée sur un trépied.

Positionnez-le à la hauteur de l'objectif du projecteur afin qu'il voie l'image blanche projetée via le miroir doré. Configurez la caméra pour qu'elle soit contrôlée par ordinateur, et laissez-la préchauffer. Après avoir connecté la caméra à son logiciel de contrôle, procurez-vous une règle en acier.

Tenez la règle à la surface de l'échantillon et focalisez manuellement la caméra dessus. Le contraste thermique avec la règle en acier facilite la mise au point. Veillez à obtenir l'image la plus nette possible.

L'une des étapes les plus critiques consiste à obtenir une résolution latérale suffisante à la surface de l'échantillon. Ceci est important car il faut pouvoir résoudre la ligne d'épuisement. Utilisez le logiciel du laser pour régler la tension du laser à 10 volts et mettez le laser en marche.

Travaillez avec le logiciel de la caméra pour établir la relation entre le projecteur et la caméra. Sélectionnez Mesurer parmi les options situées en haut. Allez dans la barre d'outils des zones de mesure et choisissez l'option outil croix.

Lorsque le laser est activé, une image thermique apparaîtra. Utilisez l'outil pour marquer les coins de l'image en cliquant avec le bouton gauche sur la fenêtre, puis notez les coordonnées. Le logiciel de contrôle de la caméra doit être configuré pour l'expérience.

Commencez par passer au panneau Caméra. Là, cliquez sur le bouton Télécommande pour ouvrir le panneau de contrôle à distance. Dans le menu déroulant, sélectionnez l'option Process-IO.

Ensuite, cliquez sur l'option Sync In et sur l'option Gate. Fermez ensuite le menu. À partir de l'onglet Paramètres d'acquisition, ouvrez le menu Acquisition.

Choisissez Synchronisation externe dans le menu déroulant. Indiquez les noms du fichier et du dossier dans le champ Dossier. Puis, rendez-vous dans le champ Nombre et saisissez le nombre d'images précédemment calculé, puis fermez le menu Acquisition.

Démarrez l'acquisition des données de la caméra en choisissant Enregistrer. À ce stade, passez au logiciel de contrôle de l'expérience. Cliquez sur Activer pour activer le contrôleur de mouvement.

Ensuite, modifiez les positions de départ et d'arrivée en millimètres afin d'inclure le défaut dans le balayage. Après cela, saisissez la vitesse en millimètres par seconde. Cliquez sur Démarrer la mesure.

Cliquez avec le bouton gauche sur le champ Choisir la couleur de la zone. Dans la boîte de dialogue de couleur, sélectionnez une couleur pour la zone du motif. Allez dans la barre d'outils de dessin et choisissez l'outil rectangle.

Se déplacer vers la zone d'image et utiliser l'outil pour créer un rectangle correspondant au domaine de pixels du projecteur précédemment identifié. Continuer en cliquant sur Définir la zone. La boîte de dialogue permet de régler les propriétés du motif projeté.

Dans le menu déroulant Type de signal, sélectionnez Onde sinusoïdale. Pour définir l'onde sinusoïdale, réglez le champ Décalage de phase à zéro degré. En outre, réglez la Fréquence en hertz.

Réglez l'amplitude au maximum. Ensuite, accédez au champ Tension pour saisir la tension du laser en volts. Dans le champ Images par période, saisissez une valeur précédemment calculée.

Cliquez sur Suivant. Suivez des étapes analogues pour créer un deuxième rectangle d'une couleur différente en déphasage de 180 degrés. Prévisualisez la séquence d'images en les utilisant dans un curseur de prévisualisation.

Ensuite, appuyez sur Démarrer pour commencer l'expérience. L'étape de translation déplace lentement l'échantillon à travers la plage choisie afin d'exposer différentes régions à l'illumination structurée oscillante projetée. La durée totale de ce parcours est de 200 secondes.

Alors que l'échantillon se déplace, la caméra infrarouge thermique acquiert des images thermiques à 40 hertz. Cette séquence d'images thermiques fournit un exemple des champs d'ondes thermiques générés par l'illumination. Arrêtez l'expérience lorsque toutes les images ont été acquises.

Pour effectuer le post-traitement nécessaire, chargez les trames de données dans le logiciel de post-traitement. Une fois les données converties, insérez les coordonnées des points de projection trouvées précédemment. Cliquez sur Transform pour placer les données dans le domaine des pixels du projecteur.

Pour extraire les informations de température, définissez la ligne de déplétion en entrant les coordonnées de deux points. Saisissez les paramètres de vitesse en position initiale de l'échantillon durant l'expérience. Indiquez également la fréquence de trame de la caméra infrarouge et la fréquence de l'onde sinusoïdale du motif.

Enfin, vérifiez que les paramètres de post-traitement des données sont corrects. Lorsque vous êtes prêt, cliquez sur Évaluer. La position de la fissure est indiquée dans le champ surligné.

Ces données ont été recueillies à partir d'un échantillon témoin présentant un défaut à une profondeur d'environ 1/4 de millimètre. L'échantillon a été déplacé à une vitesse de 0,05 millimètre par seconde. La courbe noire représente la température en fonction du temps, indiqué sur l'axe horizontal supérieur.

Le temps peut également être traduit par une position située le long de l'axe inférieur. La courbe rouge continue correspond à un ajustement d'augmentation non oscillatoire de la température. La ligne rouge en pointillés indique la position du défaut.

Voici les mêmes données après un traitement supplémentaire. La courbe bleue est la courbe de Hilbert et le défaut est à son minimum. Ces données ont été collectées après avoir doublé la vitesse de balayage à 0,1 millimètre par seconde.

Par rapport à la première mesure, l'élongation est identique, mais la fréquence d'oscillation est réduite. Notez que l'échantillon a été déplacé vers une nouvelle position, ce qui se reflète dans les mesures. Lorsque le protocole est utilisé avec un défaut situé à un millimètre sous la surface, son emplacement peut encore être déterminé, mais avec une incertitude plus grande. Ces deux graphiques utilisent des données recueillies avec une vitesse de balayage de 0,1 millimètre par seconde.

Après son développement, la technique a ouvert la voie aux chercheurs dans le domaine du contrôle non destructif pour explorer l'utilisation de l'illumination structurée. Suite à cette procédure, d'autres motifs d'illumination, plus complexes, peuvent être utilisés afin de détecter d'autres types de défauts. Jusqu'à présent, seul l'acier a été testé, mais la méthode est très prometteuse, notamment pour les matières plastiques, les matériaux composites et d'autres matériaux très sensibles, en raison de la faible contrainte thermique appliquée.

Le goulot d'étranglement du dispositif expérimental actuel est la limite de contrainte thermique du modulateur spatial de lumière. C'est pourquoi nous devons prêter attention au temps de mesure, qui ne devrait pas dépasser deux à trois minutes. Jusqu'à présent, seulement deux sources de chaleur intégrales ont été générées.

Mais en principe, grâce à ce dispositif, il est possible de générer et de contrôler jusqu'à un million de sources de chaleur, ce qui ouvre la voie à un autre domaine de mise en forme arbitraire des ondes normales. Après avoir visionné cette vidéo, vous devriez bien comprendre comment localiser des défauts sous-jacents à l’aide de la thermographie photothermique par laser projeté. N’oubliez pas que travailler avec un laser infrarouge de classe quatre à haute puissance peut être extrêmement dangereux et que des précautions, telles que le port de lunettes de protection adaptées au laser, doivent toujours être prises.