Subsurface Defect Localisatie door Gestructureerde Verwarming Met Laser Geprojecteerde Phot Thermische Thermografie
15 mei 2017
Deze methode streeft naar het lokaliseren van verticale ondergrondse defecten. Hier koppelen we een laser aan met een ruimtelijke lichtmodulator en trekken de video-ingang om deterministisch een monsteroppervlak te verwarmen met twee antifase gemoduleerde lijnen, met het verwerven van sterk opgeloste thermische beelden. De defectpositie wordt opgehaald om de thermische golfinterferentie minima te evalueren.
Het algemene doel van deze methode is om gestructureerd verwarmen en hoog opgeloste thermische beeldvorming op een niet-destructieve en non-contact manier te gebruiken om oppervlakkige defecten lokaal te lokaliseren die loodrecht op een stalen monsteroppervlak staan. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van sleutelvragen op het gebied van thermische beeldvorming. Bijvoorbeeld, hoe klein en hoe diep een defect kan zijn om gedetecteerd te worden.
Het grootste voordeel van deze techniek is dat we thermische golfvelden kunnen genereren die zich in het observatievlak voortplanten, waardoor de benadering zeer gevoelig is voor loodrecht georiënteerde defecten. Dit laser-geprojecteerde fotothermische thermografiesysteem is gerangschikt op een werkbank. Dit systeem heeft de meeste voorbereidende stappen ondergaan die vereist zijn voor gebruik in een experiment.
Aan de kop van de straalroute is de laserbron. Deze laservezel wordt ondersteund door een laservezelmontage. Vervolgens verkleint een telescoop de straaldiameter van de laser tot een geschikte grootte voor later in de straallijn.
Achter de straalsampler absorbeert een 500 watt vermogensmeterkop veel van de straalenergie om de laser op volle vermogen te laten werken. Vanaf de straalsampler gaat de straal via een spiegel naar een projectorontwikkelingskit. Dit is een gedemonteerd commercieel projectorenoplossing waarbij de lichtmotor en lenzen zijn verwijderd.
Voor het experiment moet de straal worden gecollimeerd om de projector te betreden. Na het passeren van de projector zal de straal het monster tegenkomen dat op een computergestuurde vertaaltafel is gemonteerd. Om deze opstelling te voltooien, moet een lens met een brandpuntsafstand van 100 millimeter voor de projector worden verkregen.
Bevestig de lens aan het objectief van de projector net voor de vertaaltafel. Gebruik vervolgens een LED-zaklamp als ingangslichtbron voor de projector. Plaats een wit vel papier voor het objectief en beweeg het tot er een scherp verlicht rechthoekje op het papier is dat de positie van het beeldvlak aangeeft.
Op dit punt moet een monster worden verkregen voor gebruik in het experiment. Monteer het monster in de straalroute op de lineaire vertaaltafel die is uitgerust met een labjack. Hef het monster op met de labjack zodat de bovenkant ervan in lijn is met de bovenkant van het geprojecteerde rechthoekje.
Zorg ervoor dat een defect zich binnen het verlichte gebied in het beeldvlak bevindt. Maak vervolgens een regeling om infraroodfotografie te doen door eerst een gouden spiegel op een paal te verkrijgen. De spiegel zal het verstrooide licht naar de camera weerkaatsen.
Bevestig de spiegel op een paalhouder in de buurt van de projector. Deze moet de bovenrand van het monster weerkaatsen en zijwaarts geplaatst worden om zoveel mogelijk van het monsteroppervlak te kunnen zien. Het licht dat van de spiegel wordt weerkaatst, komt in een infraroodcamera die op een statief is gemonteerd.
Plaats het op de hoogte van het objectief van de projector zodat het het geprojecteerde witte beeld ziet via de gouden spiegel. Stel de camera in om door de computer te worden bestuurd en laat deze opwarmen. Na het aansluiten van de camera op de besturingssoftware, verkrijg een stalen liniaal.
Houd de liniaal op het oppervlak van het monster en focus de camera handmatig erop. Het temperatuurcontrast met de stalen liniaal helpt bij het focussen. Werk om het scherpste beeld te bereiken.
Een van de meest kritische stappen is om voldoende laterale resolutie op het monsteroppervlak te bereiken. Dit is belangrijk omdat de uitputtingslijn moet worden opgelost. Gebruik de lasersoftware om de laserspanning in te stellen op 10 volt en start de laser.
Werk met de camerasoftware aan de relatie tussen de projector en de camera. Selecteer Meten uit de opties langs de bovenkant. Ga naar de Meetgebieden werkbalk en kies de kruisoptie.
Wanneer de laser aan staat, zal er een thermisch beeld zijn. Gebruik het gereedschap om de hoeken van het beeld te markeren door op het frame te klikken en noteer vervolgens de coördinaten. De camerabesturingssoftware moet worden geconfigureerd voor het experiment.
Begin door over te schakelen naar het Camerapaneel. Klik daar op de knop Afstandsbediening om het afstandsbedieningspaneel te openen. Kies in het vervolgkeuzemenu de optie Proces-IO.
Klik ook verder op de optie Sync In en de optie Gate. Sluit daarna het menu. Open vanuit het tabblad Acquisitiesparameters het menu Acquisities.
Kies Externe Sync uit het vervolgkeuzemenu. Geef bestands- en mapnamen op in het veld Map. Ga vervolgens naar het veld Count en voer het eerder berekende aantal frames in en sluit het menu Acquisities.
Start de cameragegevensverwerving door op Opnemen te klikken. Verplaats nu naar de experimentbesturingssoftware. Klik op Activeren om de motion controller te activeren.
Bewerk vervolgens de Start- en Eindposities in millimeters om het defect in de scan op te nemen. Voer daarna de snelheid in in millimeters per seconde. Klik op Start meting.
Klik met de linkermuisknop op het veld Kleur van gebied kiezen. Selecteer in het kleurendialoogvenster een kleur voor het patroongebied. Ga naar de tekenwerkbalk en kies het rechthoekgereedschap.
Verplaats naar het beeldgebied en gebruik het gereedschap om een rechthoek te maken die overeenkomt met het eerder gevonden pixeldomein van de projector. Ga door door op Definieer gebied te klikken. Het dialoogvenster maakt het mogelijk om de eigenschappen van het geprojecteerde patroon in te stellen.
Kies in het vervolgkeuzemenu Signaaltype Sinusgolf. Om de sinusgolf te definiëren, stel het veld Faseverschuiving in op nul graden. Stel bovendien de Frequentie in hertz in.
Stel de Amplitude in op het maximum. Ga vervolgens naar het veld Voltage om de laserspanning in eenheden volt in te voeren. Voer in het veld Aantal foto's per periode een eerder berekende waarde in.
Klik op Volgende. Volg analoge stappen om een tweede rechthoek van een andere kleur te maken met een faseverschuiving van 180 graden. Bekijk de reeks beelden door ze in een voorbeeldslider te gebruiken.
Druk vervolgens op Start om het experiment te beginnen. De vertaaltafel beweegt het monster langzaam door het gekozen bereik om verschillende regio's bloot te stellen aan
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze methode maakt gebruik van gestructureerde verwarming en hoogwaardige thermische beeldvorming om ondergrondse defecten in stalen monsters niet-destructief te lokaliseren. Door gebruik te maken van een laser en een ruimtelijke lichtmodulator, verbetert de techniek de gevoeligheid voor defecten die loodrecht op het monsteroppervlak staan.
Belangrijke onderzoekscomponenten
Wetenschapsgebied
- Thermische beeldvorming
- Niet-destructieve testen
- Materiaalkunde
Achtergrond
- Ondergrondse defecten kunnen de materiaalintegriteit aanzienlijk beïnvloeden.
- Traditionele methoden kunnen kleine of diepe defecten niet effectief detecteren.
- Thermische golfvelden kunnen de detectiegevoeligheid verbeteren.
- Deze methode beoogt de beperkingen van huidige thermische beeldvormingstechnieken aan te pakken.
Doel van het onderzoek
- Om een non-contact methode te ontwikkelen voor het detecteren van ondergrondse defecten.
- Om de grootte en dieptelimieten van detecteerbare defecten te evalueren.
- Om de gevoeligheid van thermische beeldvorming voor defectdetectie te verbeteren.
Gebruikte methoden
- Gestructureerde verwarming met behulp van een laser en ruimtelijke lichtmodulator.
- Verwerving van thermische beelden tijdens het verwarmen.
- Analyse van minima van thermische golfinterferentie om defecten te lokaliseren.
- Bench top-opstelling voor experimentele toepassing.
Belangrijkste resultaten
- De methode lokaliseert met succes loodrecht georiënteerde ondergrondse defecten.
- Hoge gevoeligheid bereikt voor kleine en diepe defecten.
- Thermische beeldvorming biedt gedetailleerde inzichten in defectkarakteristieken.
- Het systeem is klaar voor experimenteel gebruik na voorbereidende stappen.
Conclusies
- Deze techniek vertegenwoordigt een belangrijke vooruitgang in thermische beeldvorming.
- Het biedt een betrouwbare aanpak voor niet-destructieve defectdetectie.
- Toekomstige toepassingen kunnen de materiaalveiligheid en prestaties verbeteren.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
This method enables non-destructive, high-resolution detection of subsurface defects in materials, supporting early-stage material characterization in pharmaceutical and biotechnology R&D. By identifying structural flaws without sample damage, it aids in evaluating material integrity for device manufacturing, packaging, or implant development. The technique enhances predictive confidence in material selection by providing quantitative, spatially resolved defect localization.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of material structural integrity to support hypothesis testing in device or implant material selection.
- Operational Value: Provides non-contact, label-free assessment of subsurface flaws, reducing need for destructive sectioning.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative thermal oscillation data that can be used to standardize defect detection thresholds across material batches.
- Operational Value: Supports reproducible scanning protocols with synchronized stage and thermal imaging for consistent material screening.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates continuity from material discovery to preclinical validation by detecting defects that could compromise device function or safety.
- Operational Value: Enables risk-adjusted advancement decisions by identifying subsurface anomalies before costly downstream testing.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum by supporting material evaluation from early screening through preclinical validation, particularly for implantable devices or drug delivery systems where material integrity is critical.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing regarding material suitability by revealing subsurface defects that may affect biological performance.
- Screening: Enables standardized, reproducible assessment of material batches through controlled thermal wave field generation and imaging.
- Analytics: Provides spatial-temporal thermal oscillation readouts that allow quantification of defect depth and orientation for comparative analysis.
- Translational Research: Connects early material screening to preclinical use by identifying flaws that could lead to device failure in biological environments.
- Enterprise Reuse: Represents a scalable, platform-capable approach for material qualification across multiple R&D programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in material selection by reducing ambiguity in subsurface structural assessment.
- Operational Value: Enhances reproducibility and throughput via synchronized laser projection, stage scanning, and thermal imaging.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions in material qualification, lowering risk of late-stage failure in device or implant development.
- Portfolio Impact: Enables risk-based prioritization of materials based on quantifiable defect detection and localization.
Implementation Considerations
- Requires expertise in laser safety, thermal imaging, and synchronized data acquisition systems.
- Depends on specialized instrumentation including high-power diode lasers, spatial light modulators, and high-speed infrared cameras.
- Necessitates cross-team standardization for consistent application across material science, engineering, and biology groups.
- Involves adaptation considerations for varying thermal properties and geometries of different material systems.
- Limited by thermal stress thresholds of optical components, constraining maximum measurement duration to two to three minutes per sample.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
10:03
Conclusion
8:41
Results: Defects Identified in a Steel Test Sample
0:45
The Laser Projected Photothermal Thermography (LPPT) Setup
4:33
Set Up the Camera Control and Perform the Experiment
7:43
Post-process the Data and Extract Temperature Information
