レーザー光熱サーモグラフィーを用いた構造化加熱による地中欠陥局在

Summary

この方法は、垂直方向の地下欠陥を見つけることを目的としている。ここでは、レーザーを空間光変調器と結合し、高解像度の熱画像を取得しながら、2つの逆位相変調線で決定的にサンプル表面を加熱するためにビデオ入力をトリガーします。欠陥位置は、熱波干渉極小値の評価から検索される。

Abstract

提示された方法は、表面に対して垂直に配向された表面下の欠陥を見つけるために使用される。これを達成するために、我々は欠陥によって妨害される破壊的に干渉する熱波場を作り出す。この影響を測定し、欠陥の位置を特定するために使用する。我々は、修正されたプロジェクタを使用して、破壊的干渉波フィールドを形成する。プロジェクタの元の光エンジンは、ファイバ結合された高出力ダイオードレーザに置き換えられています。そのビームは、プロジェクタの空間光変調器に合わせて整形され、最初にビームプロファイルを特徴づけることによって、最適な光学スループットと均一投影に最適化され、機械的および数値的に修正されます。厳密な幾何学的状況（幾何学的画像歪みの補正を含む）および試料表面での弱い温度振動を検出するための要件に従って、高性能赤外線（IR）カメラが設定される。データ収集は一度同期することができます個々の熱波場源、走査ステージ、およびIRカメラの間のローレンスは、調査される特定の材料に調整される必要がある専用の実験装置を使用することによって確立される。データ後処理の間に、サンプルの表面の下の欠陥の存在に関する関連情報が抽出される。それは、試料表面のいわゆる空乏線からの取得された熱放射の振動部分から取り出される。欠陥の正確な位置は、最終ステップにおけるこれらの振動の空間 - 時間的形状の分析から推論される。この方法は、リファレンスフリーであり、熱波場内の変化に対して非常に敏感である。これまでのところ、この方法は鋼サンプルで試験されているが、異なる材料、特に温度に敏感な材料にも適用可能である。

Introduction

レーザー投影光熱サーモグラフィー（LPPT）法は、試験片の体積に埋め込まれ、その表面に対して主に垂直に配向された表面下の欠陥を突き止めるために使用される。

この方法は、 図1bに示すような同じ伸びと周波数の2つの逆位相熱波場の破壊的干渉を使用する。等方性の無欠陥材料では、熱波は、コヒーレントな重ね合わせによって対称面で破壊的に（ すなわち、ゼロ温度振動）中和する。表面下欠陥を有する材料の場合、この方法は、一時的な熱流とこの欠陥との間の横方向（ すなわち 、面内）成分の相互作用を利用する。この相互作用は、サンプル表面上の対称線における再現された振動温度の伸びで測定することができる。ここで、欠陥含有試料は、重畳された熱波場によって走査され、サンプルの位置に関連して温度の伸びのレベルが測定される。対称性のために、欠陥が対称面を横切ると、破壊的干渉条件が再び満たされる。これにより、欠陥を非常に敏感に見つけることができます。さらに、破壊的干渉の最大外乱のレベルは欠陥の深さと相関するので、温度走査¹を解析することによってその深さを決定することが可能である。

LPPTは能動的なサーモグラフィー方法論に割り当てられます。これは、過渡的な加熱が活発に行われ、結果的に過渡的な温度分布がサーマルIRカメラによって測定される、....

Protocol

注：注意：クラス4レーザーを使用するため、レーザーの安全に注意してください。正しい保護眼鏡と服を着用してください。また、パイロットレーザーは注意して取り扱ってください。

1.ダイオードレーザとプロジェクタ開発キット（PDK）のカップリング

1. ブレッドボードを準備する。
   1. 図3に示すように、すべてのデバイスをブレッドボードに事前に組み立てます。すべてのあらかじめ組み立てられた装置を備えたブレッドボードをレーザー実験室に置きます。
2. ブレッドボードにレーザーファイバーマウントを配置します。
   1. ファイバをレーザファイバマウントに取り付けます（ 図3参照）。
   2. ダイオードレーザーのスイッチシャッターとレーザーしきい値。ハイパワーIRセンサーカードを使用して、ビームの出力直径（40 mm）を確認します。レーザーのしきい値をオフにし、パイロットレーザーをオンにします。レーザーファイバーマウントの光軸の高さをPDKの入り口まで調整します。ラボジャック（ 図4a、4d参照）。
   3. レーザーファイバーマウントをレールに沿って動かします。距離のあるパイロットレーザーの位置を観察します。その中心点は動くべきではありません。場合には、ラボジャックとレーザーフ....

Results

プロトコルに従って、0.25mmの深さに表面下欠陥を有する鋼サンプルの側面1を選択して、代表的な結果を生成した。欠陥は当初、照明された領域のほぼ中央に位置していた。次いで、サンプルを0.05mm / sの速度でリニアステージを介して-5mmから5mmに移動させた。これらのパラメータを使用して、 図11aは、空白線からそれらを抽出した後のスキャンデータを示す。この段階では、生データがIRカメラ制御ソフトウェアからプレビューとして入手できるので、実験の成功を見積もることができます（オプション：データをプレビューするためにラインツールを使用します（ 図8のステップi.4を参照） 。さらなる信号後処理に続いて、 図11bは、0.3mmにおけるヒルベルト曲線（青色）の最小値における欠陥位置を示す。

実験を検証するには、曲線をh以下の特性を有する.......

Discussion

提示された議定書は、表面に垂直に配向された人工表面下欠陥の発見方法を説明している。この方法の主な考え方は、地下欠陥と相互作用する干渉熱波場を作り出すことである。最も重要なステップは、（i）サンプル表面に2つの交互の高出力照明パターンを生成するために、SLMとダイオードレーザとを組み合わせること、これらのパターンは光熱的にコヒーレントな熱波場に変換され、（ii）表面下の欠陥と相互作用する間に破壊的に干渉するようにし、（iii）熱的イメージングを用いて試料表面の動的温度の表面走査からこれらの欠陥を見つけるIRカメラ。このアプローチは、隠れた欠陥¹に対して非常に敏感であるため、絶対温度値ではなくゆっくりと変化する平均値の周りの温度の相対振動だけが必要である。

最も重要なステップの1つ構造化加熱のためにSLM結合レーザ源を使用する場合（ステップ1.10参照）、照明ビームプロファイルの十分な均質性を確立することである。ダイオードレーザは、高い放射照度を提供するが、正しいビーム直径および方向性を有するSLMを含むプロジェクタに供給されなければなら.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
500 W ダイオード レーザー システム、940 nm	レーザーライン	LDM 500 - 20	パイロット レーザー クラス 2 @ 650 nm、ダイオードレーザーはクラス4レーザーシステムです-->特別な実験室が必要
レーザーコントロールボックス	レーザーライン	レーザーコントロールボックスLDM	レーザーシステムに追加し、電子的に、レーザーしきい値、シャッター、0Vのレーザーを切り替えるために使用されます。5 V TTL
コントロールボックススキャナー	レーザーライン		、レーザーシステムに追加し、0 Vからのアナログ信号を介して光出力電力を調整するために使用されます。10 V
ファイバー レーザー マウント 2"、f = 80 mm	レーザーライン		レーザー システムに追加
多機能データ取得 (DAQ) デバイス + BNC 端子	ナショナルインスツルメンツ	NI-USB 6251	DAQ カードは、IR カメラをトリガーするために使用されます。  DLP Light Commander 5500、制御レーザーおよびダイオード PDA 36A
標準 - PC			制御PC - 2画面用グラフィックカード、USB×4以上、Windowsベースの
BNCケーブル			標準ケーブル
HDMIケーブル			標準ケーブル
マイクロUSB-USBケーブル			標準ケーブル
LabVIEW 2013 SP1 開発システム	ナショナルインスツルメンツ		デバイス制御用開発環境
LPPT制御ソフトウェア	BAM		LabVIEW 2013 SP1 LPPT強度
ソフトウェア	BAM		LPPTソフトウェアパッケージの一部 LabVIEW 2013 SP1
LPPTレーザー制御ソフトウェア	BAM		の一部 LabVIEW 2013 SP1
Matlab 2016b	MathWorks		LPPT
ソフトウェアパッケージの一部LPPT後処理ソフトウェア	BAM		測定データの後処理
IRカメラ制御PC	InfraTec		制御PCは、カメラディストリビューターIR
カメラ制御ソフトウェア	InfraTec	Irbis 3 Professional
InfraTec SDK	InfraTec		ダイナミックリンクライブラリによって供給されます Infratecのネイティブデータ収集フォーマットとMatlabの間のインターフェースとして
赤外線カメラ	InfraTec	Image IR 8300	640 x 512、冷却InSb検出器、波長2 µm..5.7 & マイクロ;m、ノイズ= 20 mK +アクセサリー(LANケーブル、デジタル入出力ケーブル、スペースリング、電源、ケース)
三脚	マンフロット	161MK2B
IRカメラマウント	フロット	405
デジタル光処理(DLP)技術用プロジェクター開発キット(PDK)(DLP Light Commander 5500)	ロジックPD	DLP-LC-DLP5500-10R	DLP5500 テキサス・インスツルメンツのデジタル・マイクロミラー・デバイスが付属し、ライト・エンジンとケースを分解する必要があります
PDK制御ソフトウェア	ロジックPD		配送時に付属、DLP Light Commander制御ソフトウェア
BAM		用メカニカル・プラットフォーム	自作(140×230×420)mm3
パワーメーター・コントロール・ユニット	Ophir	Vega	USBインターフェース
30 Wパワーメーターヘッド	Ophir	30(150)A-LP1-18	決定するパワーメーターヘッド プロジェクターシステムの伝送
500 Wパワーメーターヘッド	Ophir	FL500A	プロセス監督用パワーメーター
モーションコントローラー	Newport	ESP301	with USB Interface
Translation stage	Newport	M-ILS200CC	ESP301に接続
フォトダイオードとアンプ	Thorlabs	PDA 36A-EC	1インチマウント
反射フィルター ND1	Thorlabs	ND10A	PDA 36A
ピンホールに取り付けられる 1"	Thorlabs	P1000S	PDA 36Aにマウントされる
光学アルミブレッドボード	Thorlabs	MB60120/M	(1,200 mm x 900 mm) ベース
平面凸レンズ f = 200 mm	Thorlabs	LA1979-B	IR用コーティング、第1望遠鏡レンズ
平面凸レンズ f = 75 mm	Thorlabs	LA1145-B	IR用コーティング、第2望遠鏡レンズ
xy-translation stage	Newport	M401	テレコー
ビームサンプラー	Thorlabs	BSF20-B	プロジェクタシステムの光入力を減らすために使用される光出力を分割
ミラー	Thorlabs	BB2-E03	DLPライトコマンダーにビームを結合するためのミラー
ヘビーデューティラボジャック	Thorlabs	L490	ファイバーマウントに使用され、リニアステージの上部でサンプルを位置決めします (2x)
PDK-objective	ニコン	ニコン AF ニッコール 50 mm 1:1:8:D	DLP 軽戦車長用対物レンズ、50 mm
プラノコンベックスレンズ f = 100 mm	Thorlabs	LA1050 -B	レンズはニコン対物レンズに取り付けられています
バイコンベックスレンズ f = 60 mm	Thorlabs	LB1723 -B	30 W 測定ヘッドで光透過率を決定するためにニコン対物
正方形保護ゴールドミラー	Thorlabs	PFSQ20-03-M01
ハイパワー IR センサーカード	ニューポート	F-IRC-HP-M	光路を確認するセンサーカード
2" 十字線	BAM		自作
1" 十字線	BAM		自作
ブルズアイレベル	Thorlabs	LCL01
翻訳ステージ	ニューポート	M-UMR8.25	ビームプロファイルの測定に使用
マイクロメーターネジ	ニューポート	DM17-25	翻訳ステージ M-UMR8.25
マウント ゼロ開口アイリス	Thorlabs	ID75Z/M	のチェックに使用経路
ベースとポストホルダー エッセンシャルキット、メトリックおよびユニバーサルコンポーネント	Thorlabs	ESK01/M	ベーシス
ポスト &付属品 エッセンシャルキット、メトリックおよびユニバーサルコンポーネント	Thorlabs	ESK03/M
M6 キャップスクリューおよびハードウェアキット	Thorlabs	HW-KIT2/M
建設用レール	Thorlabs	XE25L700/M
1インチ 建設用キューブ	Thorlabs	RM1G	建設用レールの取り付けに使用
放電加工	Sodick	AG60L	www.sodick.de
鋼鉄 (100 x 100 x 40)mm3	BAM		の自作、0.25の残りの壁厚さの隠れた欠陥のSt37ブロック。mm、0.5 mm、0.70 mm、1.25  mm(図5)
St37鋼ブロック (100 x 100 x 40)mm	BAM		自作、残りの壁厚が1 の隠れた欠陥。mm, 1.5 mm、1.75 mm、2 mm (図 5 で表示)
グラファイト スプレー	CRC Industries Europe NV	GRAPHIT 33	Ref. 20760、200 mL エアロゾル (Kontakt-Chemie)
保護テープ	Tesa	tesakrepp 4348	コーティング中に隠れた欠陥を保護するために使用されます