Method Article

레이저 조사 형 광열 열 분석을 이용한 구조 가열에 의한 지층 결함 국산화

DOI:

10.3791/55733

⸱

May 15th, 2017

 , 
1Department for Non-Destructive Testing, Thermographic Methods, Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 방법은 수직 표면 하의 결함을 찾는 것을 목표로합니다. 여기서 우리는 레이저를 공간 광 변조기와 결합시키고 비디오 입력을 트리거하여 고분해능 열 화상을 얻는 동안 2 개의 반대 위상 변조 선으로 결정 성있게 시료 표면을 가열합니다. 결함 위치는 열파 간섭 최소값을 평가하여 검색됩니다.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

제시된 방법은 표면에 수직하게 배향 된 표면 결함을 찾아내는 데 사용됩니다. 이를 달성하기 위해 우리는 결함에 의해 방해받는 파괴적으로 간섭하는 열 파 필드를 생성합니다. 이 효과를 측정하여 결함 위치를 찾습니다. 우리는 수정 된 프로젝터를 사용하여 파괴적인 간섭 파 필드를 형성합니다. 프로젝터의 원래 광 엔진은 파이버 결합 고출력 다이오드 레이저로 대체되었습니다. 빔은 프로젝터의 공간 광 변조기와 모양을 맞추고 정렬되며 빔 프로파일을 먼저 특성화하고 기계적 및 수치 적으로 보정하여 최적의 광학 처리량과 균일 한 투영을 위해 최적화됩니다. 정밀한 기하학적 상황 (기하학적 이미지 왜곡의 보정 포함)과 샘플 표면의 약한 온도 진동을 감지하는 요구 사항에 따라 고성능 적외선 (IR) 카메라가 설치됩니다. 데이터 수집은 한 번 동기화 할 수 있습니다.개별 열 파 필드 소스, 스캐닝 스테이지 및 IR 카메라 간의 론칭은 조사중인 특정 재료에 맞춰 조정해야하는 전용 실험 설정을 사용하여 설정됩니다. 데이터 후 처리 동안, 샘플의 표면 아래의 결함 존재에 대한 관련 정보가 추출된다. 이는 샘플 표면의 소위 공핍 선 (depletion line)에서 나오는 획득 된 열 방사의 진동 부분에서 검색됩니다. 결함의 정확한 위치는 최종 단계에서 이러한 진동의 공간 - 시간적 모양 분석에서 추론됩니다. 이 방법은 참고가 필요하지 않으며 열 파 필드 내의 변화에 ​​매우 민감합니다. 지금까지,이 방법은 강철 샘플로 테스트되었지만 다른 재료, 특히 온도에 민감한 재료에도 적용 가능합니다.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

레이저 투영 광열 열처리 (LPPT) 방법은 시험편의 부피에 묻혀 표면에 주로 수직으로 배향 된 표면 결함을 찾는 데 사용됩니다.

상기 방법은 도 1b 에 도시 된 바와 같이 동일한 신장 및 주파수의 2 개의 반 위상 열 파 필드의 상쇄 간섭을 사용한다. 등방성 결함이없는 물질에서, 열파는 응집력 중첩에 의해 대칭 평면에서 파괴적으로 중성화 ( 즉, 제로 온도 진동)됩니다. 표면 결함이있는 재료의 경우이 방법은 과도 열 흐름과이 결함 사이의 측면 ( 즉 , 평면 내) 구성 요소의 상호 작용을 이용합니다. 이 상호 작용은 샘플 표면의 대칭 선에서 재현 된 진동 온도 신도에서 측정 할 수 있습니다. 이제, 결함을 포함하는 샘플은 중첩 된 열파 필드에 의해 스캐닝되고,온도 신장의 레벨은 샘플 위치와 관련하여 측정된다. 대칭으로 인해, 결함이 대칭 평면을 가로 지르면 상쇄 간섭 조건이 다시 충족됩니다. 이렇게하면 결함을 매우 민감하게 찾을 수 있습니다. 또한, 상쇄 간섭의 최대 외란의 수준은 결함의 깊이와 관련되기 때문에, 온도 스캔을 분석하여 깊이를 결정할 수 있습니다 1 .

LPPT는 능....

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Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

참고 :주의 : 설정에 클래스 4 레이저가 사용되므로 레이저 안전에주의하십시오. 올바른 보호 안경과 옷을 착용하십시오. 또한 파일럿 레이저를 조심스럽게 다루십시오.

1. 다이오드 레이저를 프로젝터 개발 키트 (PDK)에 커플 링하십시오.

  1. 브레드 보드를 준비하십시오.
    1. 그림 3 과 같이 모든 장치를 브레드 보드에 미리 조립하십시오. 레이저 실험실에 모든 사전 조립 된 장치가있는 브레드 보드를 놓습니다.
  2. 브레드 보드에 레이저 섬유 마운트를 놓습니다.
    1. 섬유를 레이저 섬유 마운트에 연결하십시오 ( 그림 3 참조 ).
    2. 다이오드 레이저의 스위치 셔터 및 레이저 임계 값. 고출력 IR 센서 카드를 사용하여 빔의 출력 직경 (40mm)을 확인하십시오. 레이저 임계 값을 끄고 파일럿 레이저를 켭니다. 레이저 파이버 마운트에서 광축의 높이를 PDK의 입구까지 조절합니다.실험실 잭 ( 그림 4a, 4d 참조).
    3. 레일을 따라 레이저 섬유 마운트를 이동합니다. 멀리있는 파일럿 레이저의 위치를 ​​관찰하십시오. 중심....

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Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

프로토콜에 따라 0.25 mm 깊이의 표면 결함이있는 강재 샘플의면 1을 선택하여 대표 결과를 생성했습니다. 결함은 초기에 조명 영역의 대략 중앙에 위치 하였다. 이어서, 샘플을 0.05mm / s의 속도로 선형 스테이지를 통해 -5mm에서 5mm로 이동시켰다. 이 매개 변수를 사용하여, 그림 11a 는 공핍 라인에서 스캔 데이터를 추출한 후의 스캔 데이터를 보여줍니다. 이 단계에서 실험의 성공 여부는 추정 할 수 있습니다. 원시 데이터는 미리보기로 IR 카메라 제어 소프트웨어에서 사용할 수 있기 때문에 (선택 사항 : 데이터를 미리 보려면 선 도구를 사용하십시오 ( 그림 8 , 단계 i.4 참조) . 추가 신호 후 처리에 이어 그림 11b 는 0.3mm에서 힐버트 곡선 (파란색)의 최소값에서의 결함 위치를 보여줍니다.

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Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

제시된 프로토콜은 표면에 수직으로 향한 인공적인 표면 하의 결함을 찾는 방법을 기술한다. 이 방법의 주요 아이디어는 표면 결함과 상호 작용하는 간섭 열 파 필드를 생성하는 것이다. 가장 중요한 단계는 (i) SLM과 다이오드 레이저를 결합하여 시료 표면에 고전력 조명 패턴을 교대로 생성하는 것, 이 패턴들은 광열 적으로 열 간섭계 (coherent thermal wave field)로 전환되고, (ii) 표면 결함과 상호 작용하면서 파괴적 간섭을 일으키며, (iii) 열 화상 진단을 사용하여 시료 표면의 동적 온도의 표면 주사 IR 카메라. 절대 온도 값이 아닌 천천히 변하는 평균 값 주위의 온도의 상대 진동 만 필요하기 때문에이 접근법은 숨겨진 결함 1 에 매우 민감합니다.

가장 중요한 단계 중 하나프로토콜 내에서 구조화 된 가열을 위해 SLM 결합 레이저 소스를 사용할 때 조명 빔 프로파일의 충분한 균질성을 확립하는 것입니다 (단.......

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Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

저자는 공개 할 것이 없습니다.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

우리는 Taarna Studemund와 Hagen Wendler에게 그림 설치를위한 준비뿐만 아니라 실험 설정의 사진을 찍어 주신 것에 대해 감사드립니다. 또한 샘플 준비를위한 Anne Hildebrandt와 Sreedhar Unnikrishnakurup, Alexander Battig, Felix Fritzsche에게 감사의 말씀을 전합니다.

....

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
500 W 다이오드 레이저 시스템, 940 nmLaserlineLDM 500 - 20Pilot 레이저 클래스 2 @ 650  nm, 다이오드 레이저는 클래스 4 레이저 시스템입니다 --> 특수 실험실이 필요합니다
레이저 제어 상자레이저라인레이저 제어 상자 LDM은 레이저 시스템에 추가하며, 전자적으로 전환하는 데 사용되며, 레이저 임계값, 셔터, 레이저를 0 V로 켭니다. 5 V TTL
컨트롤 박스 스캐너레이저라인레이저 시스템에 추가, 0 V.에서 아날로그 신호를 통해 광 출력 전력을 조정하는 데 사용됩니다.. 10 V
파이버 레이저 마운트 2", f = 80 mm레이저라인레이저 시스템에 추가
데이터 수집 (DAQ) 장치 + BNC 터미널National InstrumentsNI-USB 6251DAQ 카드는 IR 카메라를 트리거하는 데 사용됩니다. DLP Light Commander 5500, 제어 레이저 및 다이오드 PDA 36A
표준 - PC 제어 PC - 2개의 스크린용 그래픽 카드, 최소 4개의 USB, Windows 기반
BNC 케이블표준 케이블
HDMI 케이블표준 케이블
마이크로 USB to USB 케이블표준 케이블
LabVIEW 2013 SP1 개발 시스템National Instruments디바이스 제어 LPPT를 위한 개발 환경
제어 소프트웨어BAMLabVIEW 2013 SP1의 LPPT 소프트웨어 패키지의 일부
LPPT intensity  소프트웨어BAMLabVIEW 2013 SP1의 LPPT 소프트웨어 패키지의 일부
LPPT 레이저 제어 소프트웨어2013 SP1의 LPPT 소프트웨어 패키지의BAM
Matlab 2016bMathWorks측정 데이터의
후처리LPPT 후처리 소프트웨어BAM, 측정 데이터의 후처리,
IR 카메라 제어 PCInfraTecControl PC는 카메라 분배기,
IR 카메라 제어 소프트웨어InfraTecIrbis 3 Professional
InfraTec SDK, InfraTec Dynamic Link Library에서 제공하며, Infratec과 Matlab의 기본 데이터 수집 형식 간의 인터페이스로
IR 카메라InfraTecImage IR 8300640 x 512, 냉각 InSb 검출기, 파장 2  &마이크로;m.. 5.7 & 마이크로; m, 소음 = 20  mK + 액세서리 (LAN 케이블, 디지털 입출력 케이블, 스페이스 링, 전원 공급 장치, 케이스)
삼각대Manfrotto161MK2B
IR 카메라 마운트Manfrotto405
프로젝터 개발 키트 (PDK) 디지털 광 처리 (DLP) 기술 (DLP Light Commander 5500)용 로직 PDDLP-LC-DLP5500-10RDLP5500 텍사스 인스트루먼트의 디지털 마이크로미러 장치 포함, 라이트 엔진 및 케이스는 분해해야 합니다.
PDK 제어 소프트웨어로직 PD배송 시 포함, DLP 라이트 커맨더 제어 소프트웨어
BAM용 기계식 플랫폼자체 제작 (140 x 230 x 420) mm3
파워 미터 제어 장치OphirVegaUSB 인터페이스
30W 파워 미터 헤드 Ophir30 (150) A-LP1-18프로젝터 시스템의 전송을 결정하는 파워
미터 헤드 500W 파워 미터 헤드OphirFL500A프로세스 감독 용 파워 미터
모션 컨트롤러NewportESP301(USB 인터페이스
변환 스테이지포함) NewportM-ILS200CC증폭기가있는 ESP301
포토 다이오드에ThorlabsPDA 36A-EC1" 마운트
반사 필터 ND1ThorlabsND10A는 PDA 36A 핀홀에 장착되어야
, 1"ThorlabsP1000S는 PDA 36A
광학 알루미늄 브레드보드에 장착되어야 합니다 ThorlabsMB60120/M(1,200 mm x 900 mm) 기본
Plano 볼록 렌즈 f = 200 mmThorlabsLA1979-BIR용 코팅, 첫 번째 망원경 렌즈
Plano 볼록 렌즈 f = 75 mmThorlabsLA1145-BIR용 코팅, 두 번째 망원경 렌즈
xy-translation stageNewportM401텔레코프
BeamsamplerThorlabsBSF20-B 조정에 사용 프로젝터 시스템의 광 입력을 줄이는 데 사용되는 광 출력을 분할합니다.
미러ThorlabsBB2-E03빔을 DLP Light Commander에 연결하는 미러
헤비 듀티 랩 잭ThorlabsL490섬유 마운트와 선형 스테이지 위에 샘플을 배치하는 데 사용됩니다 (2x)
PDK-objective 니콘니콘 AF Nikkor 50 mm 1:1:8:D DLP 라이트 커맨더용 대물렌즈, 50mm
Plano 볼록한 렌즈 f = 100 mmThorlabsLA1050 -B렌즈는 Nikon Objective
Bi-Convex Lens f = 60 에 부착되어 있습니다; mmThorlabsLB1723 -B렌즈는 30W 측정 헤드로 광 전송을 결정하기 위해 Nikon 대물렌즈에 부착됩니다.
ThorlabsPFSQ20-03-M01
고출력 IR 센서 카드NewportF-IRC-HP-M광학 경로를 확인하기 위한 센서 카드
2" 십자선BAM자체 제작
1" 십자선BAM자체 제작
Bullseye levelThorlabsLCL01
번역 스테이지NewportM-UMR8.25빔 프로파일 측정에 사용
마이크로미터 나사NewportDM17-25번역 스테이지 M-UMR8.25와 함께 사용
제로 조리개 IrisThorlabsID75Z/M광학 확인에 사용 경로
베이스 및 포스트 홀더 에센셜 키트, 미터법 및 범용 구성 요소ThorlabsESK01/MBasis
게시물 및 부속품 필수 키트, 미터법 및 범용 구성 요소ThorlabsESK03/M
M6 캡 나사 및 하드웨어 키트ThorlabsHW-KIT2/M
건설 레일ThorlabsXE25L700/M
1" 건설 큐브ThorlabsRM1G건설 레일 장착에 사용
방전 가공SodickAG60Lwww.sodick.de
St37 강철 블록
(100 x 100 x 40) mm3		BAM자체 제작, 숨겨진 결함으로 남은 벽 두께는 0.25  mm, 0.5mm, 0.70mm, 1.25  mm (그림 5)
St37 강철 블록
(100 x 100 x 40) mm		BAM자체 제작, 숨겨진 결함으로 나머지 벽 두께는 1  mm, 1.5  mm, 1.75mm, 2mm(<강>그림 5)
흑연 스프레이CRC Industries Europe NVGRAPHIT 33Ref. 20760, 200mL 에어로졸(Kontakt-Chemie)
코팅 중 숨겨진 결함을 보호하는 데 사용되는보호 테이프Tesatesakrepp 4348
. 다기능 LabVIEW , , , , 제공됩니다.PDK 연결 하며 장착

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Thiel, E., Kreutzbruck, M., Ziegler, M. Laser-projected photothermal thermography using thermal wave field interference for subsurface defect characterization. Appl. Phys. Lett. 109 (12), 123504(2016).
  2. Ibarra-Castanedo, C., Tarpani, J. R., Maldague, X. P. V. Nondestructive testing with thermography. Eur. J. Phys. 34 (6), 91-109 (2013).
  3. Maldague, X. P.

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