Localizzazione dei difetti suburfacea mediante riscaldamento strutturato utilizzando la termografia fototermica proiettata laser

L'obiettivo generale di questo metodo è utilizzare un riscaldamento strutturato e un'immagine termica ad alta risoluzione in modo non distruttivo e senza contatto per individuare difetti sotterranei orientati perpendicolarmente alla superficie di un campione di acciaio. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande fondamentali nel campo dell'immagine termica. Ad esempio, quanto piccolo e quanto profondo può essere un difetto per essere rilevato.

Il vantaggio principale di questa tecnica è che possiamo generare campi di onde termiche che si propagano nel piano di osservazione, rendendo l'approccio altamente sensibile a difetti orientati perpendicolarmente. Questo sistema di termografia fototermica con proiezione laser è montato su un banco ottico da banco. Il sistema ha già subito la maggior parte dei passaggi preparatori necessari per essere utilizzato in un esperimento.

All'inizio del percorso del fascio si trova la sorgente laser. La fibra laser è sostenuta da un supporto per fibra laser. Successivamente, un telescopio riduce il diametro del fascio laser a una dimensione appropriata per le successive sezioni della linea del fascio.

Dietro il campionatore del fascio, una testa di misurazione da 500 watt assorbe gran parte dell'energia del fascio, consentendo al laser di funzionare alla massima potenza. Dal campionatore del fascio, il fascio prosegue tramite uno specchio fino a un kit di sviluppo per proiettore. Si tratta di un proiettore commerciale smontato, dal quale sono stati rimossi il motore ottico e le lenti.

Per l'esperimento, collimare il fascio in modo che entri nel proiettore. Dopo aver attraversato il proiettore, il fascio incontrerà il campione, che sarà montato su un palco di traslazione controllato dal computer. Per completare questa configurazione, procurarsi una lente con lunghezza focale di 100 millimetri per il proiettore.

Collegare l'obiettivo al proiettore appena prima della fase di traslazione. Successivamente, utilizzare una torcia LED come sorgente luminosa in ingresso per il proiettore. Posizionare un foglio di carta bianca davanti all'obiettivo e spostarlo fino a ottenere un rettangolo illuminato nitido sul foglio, che indichi la posizione del piano dell'immagine.

A questo punto, ottenere un campione da utilizzare nell'esperimento. Montare il campione nel percorso del fascio sulla piattaforma di traslazione lineare dotata di un supporto regolabile. Sollevare il campione con il supporto regolabile in modo che la sua sommità sia allineata con la parte superiore del rettangolo proiettato.

Assicurarsi che un difetto si trovi all'interno dell'area illuminata nel piano dell'immagine. Successivamente, predisporre la fotografia nell'infrarosso ottenendo innanzitutto uno specchio d'oro montato su un supporto. Lo specchio rifletterà il fascio diffuso verso la fotocamera.

Montare lo specchio su un supporto per asta vicino al proiettore. Lo specchio deve riflettere il bordo superiore del campione ed essere inclinato in modo da visualizzare la maggior parte possibile della superficie del campione. La luce riflessa dallo specchio entrerà in una telecamera a infrarossi montata su un treppiede.

Posizionarlo all'altezza dell'obiettivo del proiettore in modo che veda l'immagine bianca proiettata tramite lo specchio d'oro. Configurare la telecamera in modo che sia controllata dal computer e lasciarla riscaldare. Dopo aver collegato la telecamera al suo software di controllo, procurarsi un righello di acciaio.

Tenere il righello sulla superficie del campione e mettere manualmente a fuoco la telecamera su di esso. Il contrasto termico con il righello di acciaio facilita la messa a fuoco. Procedere fino a ottenere l'immagine più nitida possibile.

Uno dei passaggi più critici consiste nel raggiungere una risoluzione laterale sufficiente sulla superficie del campione. Questo è importante perché la linea di deplezione deve essere risolta. Utilizzare il software del laser per impostare la tensione del laser a 10 volt e avviare il laser.

Lavorare con il software della telecamera per stabilire la relazione tra il proiettore e la telecamera. Selezionare Misura tra le opzioni nella parte superiore. Andare alla barra degli strumenti Aree di misura e scegliere l'opzione strumento croce.

Quando il laser è acceso, verrà visualizzata un'immagine termica. Utilizzare lo strumento per delimitare gli angoli dell'immagine facendo clic con il pulsante sinistro del mouse sul fotogramma, quindi annotare le coordinate. Il software di controllo della telecamera deve essere configurato per l'esperimento.

Iniziare passando al pannello della fotocamera. Lì, fare clic sul pulsante Remoto per aprire il pannello di controllo remoto. Quindi, nel menu a discesa, selezionare l'opzione Process-IO.

Inoltre, procedere facendo clic sull'opzione Sync In e sull'opzione Gate. Successivamente, chiudere il menu. Dalla scheda Parametri di acquisizione, aprire il menu Acquisizione.

Scegliere Sincronizzazione esterna dal menu a discesa. Inserire i nomi del file e della cartella nel campo Cartella. Successivamente, passare al campo Conta e immettere il numero di fotogrammi calcolato in precedenza, quindi chiudere il menu Acquisizione.

Avviare l'acquisizione dei dati della telecamera selezionando Registra. A questo punto, passare al software di controllo dell'esperimento. Fare clic su Attiva per attivare il controllore del movimento.

Successivamente, modificare le posizioni iniziale e finale in millimetri per includere il difetto nella scansione. Dopodiché, inserire la velocità in millimetri al secondo. Fare clic su Avvia misurazione.

Fare clic con il pulsante sinistro sul campo Scegli colore area. Nella finestra di dialogo del colore, selezionare un colore per l'area del motivo. Andare sulla barra degli strumenti di disegno e scegliere lo strumento rettangolo.

Spostarsi nell'area dell'immagine e utilizzare lo strumento per creare un rettangolo coerente con il dominio dei pixel del proiettore precedentemente individuato. Proseguire cliccando su Definisci area. La finestra di dialogo consente di impostare le proprietà del pattern proiettato.

Nel menu a discesa Tipo di segnale selezionare Onda sinusoidale. Per definire l'onda sinusoidale, impostare il campo Sfasamento a zero gradi. Inoltre, impostare la Frequenza in hertz.

Impostare l'ampiezza al valore massimo. Successivamente, passare al campo Tensione per inserire la tensione del laser in unità di volt. Nel campo Immagini per periodo, inserire un valore precedentemente calcolato.

Fare clic su Avanti. Seguire passaggi analoghi per creare un secondo rettangolo di colore diverso con uno sfasamento di 180 gradi. Anteprima la sequenza di immagini utilizzandole in un cursore di anteprima.

Quindi premere Avvia per iniziare l'esperimento. La fase di traslazione sposta lentamente il campione attraverso l'intervallo selezionato per esporre diverse regioni all'illuminazione strutturata oscillante proiettata. Il tempo totale di transito per questo esperimento è di 200 secondi.

Mentre il campione si muove, la telecamera termica a infrarossi acquisisce immagini termiche a 40 hertz. Questa sequenza di immagini termiche fornisce un esempio dei campi d'onda termici generati dall'illuminazione. Arrestare l'esperimento quando tutti i fotogrammi sono stati acquisiti.

Per eseguire l'elaborazione successiva necessaria, caricare i frame di dati nel software di post-elaborazione. Dopo aver convertito i dati, inserire le coordinate dei punti di proiezione trovate in precedenza. Fare clic su Trasforma per portare i dati nel dominio dei pixel del proiettore.

Per estrarre le informazioni relative alla temperatura, definire la linea di deplezione inserendo le coordinate di due punti. Inserire i parametri della velocità nella posizione iniziale del campione durante l'esperimento. Inserire inoltre la frequenza dei fotogrammi della telecamera a infrarossi e la frequenza dell'onda sinusoidale del pattern.

Infine, assicurarsi che i parametri di post-elaborazione dei dati siano corretti. Quando si è pronti, fare clic su Valuta. La posizione della frattura viene mostrata nel campo evidenziato.

Questi dati sono stati raccolti da un campione di prova con un difetto a una profondità approssimativa di 1/4 di millimetro. Il campione è stato traslato a 0,05 millimetri al secondo. La curva nera rappresenta la temperatura in funzione del tempo, riportato sull'asse orizzontale superiore.

Il tempo può anche essere tradotto in una posizione lungo l'asse inferiore. La curva rossa continua rappresenta un adattamento a un aumento non oscillatorio della temperatura. La linea rossa tratteggiata indica la posizione del difetto.

Ecco gli stessi dati dopo un'ulteriore post-elaborazione. La curva blu è la curva di Hilbert e il difetto è al minimo. Questi dati sono stati raccolti dopo aver raddoppiato la velocità di scansione a 0,1 millimetri al secondo.

In confronto alla prima misurazione, l'allungamento è lo stesso ma la frequenza di oscillazione è ridotta. Si noti che il campione è stato spostato in una nuova posizione, il che si riflette nelle misurazioni. Quando il protocollo viene utilizzato con un difetto posto a un millimetro sotto la superficie, la sua posizione può comunque essere determinata, ma con un'incertezza maggiore. Entrambi questi grafici utilizzano dati raccolti con una velocità di scansione di 0,1 millimetri al secondo.

Dopo il suo sviluppo, la tecnica ha aperto la strada ai ricercatori nel campo del controllo non distruttivo per esplorare l'uso dell'illuminazione strutturata. Seguendo questa procedura, possono essere utilizzati altri schemi di illuminazione, più complessi, al fine di individuare altri tipi di difetti. Finora è stato testato soltanto l'acciaio, ma il metodo è molto promettente, in particolare per materiali plastici, composti e altri materiali molto sensibili, grazie al basso stress termico applicato.

Il collo di bottiglia dell'attuale configurazione sperimentale è il limite di stress termico del modulatore spaziale della luce. Per questo motivo dobbiamo prestare attenzione al tempo di misurazione, che non dovrebbe superare i due o tre minuti. Finora sono state generate soltanto due sorgenti termiche integrali.

Ma in linea di principio, utilizzando questa configurazione è possibile generare e controllare fino a un milione di sorgenti termiche, il che apre un nuovo campo nella modulazione arbitraria di onde normali. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come localizzare difetti sottosuperficiali mediante termografia fototermica con proiezione laser. Non dimenticare che lavorare con un laser infrarosso di classe quattro ad alta potenza può essere estremamente pericoloso e che precauzioni come l'uso di occhiali protettivi per laser devono essere sempre adottate.