Lokalizacja defektów podpowierzchniowych poprzez ogrzewanie strukturalne za pomocą laserowej termografii fototermicznej

Summary

Ta metoda ma na celu zlokalizowanie pionowych defektów podpowierzchniowych. W tym przypadku łączymy laser z przestrzennym modulatorem światła i uruchamiamy jego wejście wideo, aby deterministycznie podgrzać powierzchnię próbki za pomocą dwóch modulowanych linii antyfazowych, uzyskując jednocześnie obrazy termiczne o wysokiej rozdzielczości. Pozycja defektu jest uzyskiwana z oceny minimów zakłóceń fal termicznych.

Abstract

Przedstawiona metoda służy do lokalizowania defektów podpowierzchniowych zorientowanych prostopadle do powierzchni. Aby to osiągnąć, tworzymy destrukcyjnie interferujące pola fal termicznych, które są zakłócane przez wadę. Efekt ten jest mierzony i wykorzystywany do zlokalizowania wady. Destrukcyjnie interferujące pola falowe tworzymy za pomocą zmodyfikowanego projektora. Oryginalny silnik świetlny projektora został zastąpiony laserem diodowym o dużej mocy sprzężonym ze światłowodami. Jego wiązka jest kształtowana i dopasowywana do przestrzennego modulatora światła projektora i optymalizowana pod kątem optymalnej przepustowości optycznej i jednorodnej projekcji, po pierwsze, poprzez scharakteryzowanie profilu wiązki, a po drugie, skorygowanie go mechanicznie i numerycznie. Wysokowydajna kamera na podczerwień (IR) jest konfigurowana w zależności od napiętej sytuacji geometrycznej (w tym korekcji geometrycznych zniekształceń obrazu) i wymogu wykrywania słabych wahań temperatury na powierzchni próbki. Akwizycję danych można przeprowadzić po ustanowieniu synchronizacji między poszczególnymi źródłami pola fal termicznych, etapem skanowania i kamerą na podczerwień za pomocą dedykowanej konfiguracji eksperymentalnej, która musi być dostrojona do konkretnego badanego materiału. Podczas przetwarzania końcowego danych wydobywa się odpowiednie informacje o obecności defektu pod powierzchnią próbki. Jest ono pobierane z oscylacyjnej części pozyskanego promieniowania cieplnego pochodzącej z tzw. linii zubożenia powierzchni próbki. Dokładna lokalizacja defektu jest wydedukowana z analizy przestrzenno-czasowego kształtu tych oscylacji w końcowym kroku. Metoda jest bezreferencyjna i bardzo wrażliwa na zmiany w polu fal termicznych. Do tej pory metoda ta była testowana na próbkach stali, ale ma również zastosowanie do różnych materiałów, w szczególności do materiałów wrażliwych na temperaturę.

Introduction

Metoda laserowej termografii fototermicznej (LPPT) jest używana do lokalizowania defektów podpowierzchniowych, które są osadzone w objętości próbki testowej i zorientowane głównie prostopadle do jej powierzchni.

Metoda wykorzystuje destrukcyjną interferencję dwóch przeciwfazowych pól fal termicznych o tej samej długości i częstotliwości, jak pokazano na rysunku 1b. W materiałach izotropowych wolnych od wad fale termiczne neutralizują się destrukcyjnie (tj. oscylacje temperatury zerowej) w płaszczyźnie symetrii poprzez koherentną superpozycję. W przypadku materiału z wadą podpowierzchniową metoda wykorzystuje intera....

Protocol

UWAGA: Uwaga: Proszę zwrócić uwagę na bezpieczeństwo lasera, ponieważ konfiguracja wykorzystuje laser klasy 4. Prosimy o noszenie odpowiednich okularów i ubrań ochronnych. Z laserem pilotującym należy obchodzić się ostrożnie.

1. Połącz laser diodowy z zestawem rozwojowym projektora (PDK)

1. Przygotuj deskę do krojenia chleba.
   1. Wstępnie zmontuj wszystkie urządzenia na płytce stykowej, jak pokazano na rysunku 3. Umieść płytkę stykową ze wszystkimi wstępnie zmontowanymi urządzeniami w laboratorium laserowym.
2. Umieść uchwyt światłowodu laserowego na płytce stykowej.
   ....

Results

Zgodnie z protokołem, wybrano stronę 1 próbki stali z wadą podpowierzchniową na głębokości 0,25 mm, aby uzyskać reprezentatywne wyniki. Wada była początkowo umieszczona mniej więcej w środku oświetlanego obszaru. Próbka została następnie przesunięta z -5 mm do 5 mm za pomocą stolika liniowego z prędkością 0,05 mm/s. Korzystając z tych parametrów, rysunek 11a przedstawia dane skanowania po wyodrębnieniu ich z linii zubożenia. Na tym etapie można oszacować powodzenie eksper.......

Discussion

Prezentowany protokół opisuje, w jaki sposób lokalizować sztuczne defekty podpowierzchniowe zorientowane prostopadle do powierzchni. Główną ideą metody jest wytworzenie interferujących pól fal termicznych, które oddziałują z defektem podpowierzchniowym. Najważniejszymi krokami są: (i) połączenie SLM z laserem diodowym w celu stworzenia dwóch naprzemiennych wzorów oświetlenia o dużej mocy na powierzchni próbki; Wzorce te są przekształcane fototermicznie w spójne pola fal termicznych, (ii) aby umożliwić im destrukcyjną int.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
System lasera diodowego 500 W, 940 nm	Laserline	LDM 500 - 20	Laser pilotujący klasy 2 @ 650  nm, laser diodowy to system laserowy klasy 4 - potrzebny > specjalne laboratorium
Skrzynka kontrolna lasera	Laserline	Skrzynka kontrolna lasera LDM	Dodatek do systemu laserowego, służy do elektronicznego przełączania, progu laserowego, migawki, lasera na 0 V. 5 V TTL
Skaner skrzynki sterowniczej	Laserline		Dodatek do systemu laserowego, służący do regulacji optycznej mocy wyjściowej za pomocą sygnału analogowego od 0 V.
Uchwyt do lasera światłowodowego 10 V 2", f = 80 mm	Laserline		Dodatek do systemu laserowego
Wielofunkcyjne urządzenie do pozyskiwania danych (DAQ) + terminal BNC	National Instruments	NI-USB 6251	Karta DAQ służy do wyzwalania kamery na podczerwień,  DLP Light Commander 5500, sterowanie laserem i diodą PDA 36A
Standard - PC			Control PC - karta graficzna na dwa ekrany, co najmniej 4 x USB,
			Standardowy
HDMI Standardowy
		Micro USB na USB	Standardowy
LabVIEW 2013 SP1 Development System	National Instruments		Development environment for device control
LPPT oprogramowanie sterujące	BAM		częścią pakietu oprogramowania LPPT firmy LabVIEW 2013 SP1
Intensywność LPPT  oprogramowanie	BAM		część pakietu oprogramowania LPPT firmy LabVIEW 2013 SP1
Oprogramowanie sterujące laserem LPPT	BAM		część pakietu oprogramowania LPPT firmy LabVIEW 2013 SP1
Matlab 2016b	MathWorks		Przetwarzanie końcowe danych
pomiarowychOprogramowanie do postprocessingu LPPT	BAM		Postprocessing danych pomiarowych
Sterowanie kamerą na podczerwień PC	InfraTec		Control PC jest dostarczane przez dystrybutora kamer
Oprogramowanie do sterowania kamerą na podczerwień	InfraTec	Irbis 3 Professional
InfraTec SDK	InfraTec		Dynamic Link Library jako interfejs między natywnym formatem akwizycji danych Infratec i Matlab
Kamera na podczerwień	InfraTec	Image IR 8300	640 x 512, chłodzony detektor InSb, długość fali 2  &mikro;m.. 5,7 &mikro; m, hałas = 20  mK + akcesoria (LAN, wejścia / wyjścia cyfrowego, pierścień kosmiczny, zasilacz, etui)
Statyw	Manfrotto	161MK2B
	Manfrotto	405
Zestaw uruchomieniowy projektora (PDK) do technologii cyfrowego przetwarzania światła (DLP) (DLP Light Commander 5500)	Logic PD	DLP-LC-DLP5500-10R	DLP5500 Cyfrowe urządzenie Micromirror firmy Texas Instruments w zestawie, silnik świetlny i obudowa muszą być zdemontowane
Oprogramowanie sterujące PDK	Logic PD		W zestawie oprogramowanie sterujące DLP Light Commander
Platforma mechaniczna dla PDK	BAM		Samodzielnie wykonana (140 x 230 x 420) mm3
Jednostka sterująca miernika mocy	Ophir		Vega Interfejs USB
Głowica miernika mocy 30 W	Ophir	30(150)A-LP1-18 Głowica	miernika mocy do określania Transmisja systemu projektora
Głowica miernika mocy 500 W	Ophir	FL500A	Miernik mocy do nadzoru procesu
Kontroler ruchu	Newport	ESP301	z interfejsem USB
Etap translacji	Newport	M-ILS200CC	Podłączony do ESP301
Fotodioda ze wzmacniaczem	Thorlabs	PDA 36A-EC	1"
mocowanie Filtr odblaskowy ND1	Thorlabs	ND10A	do montażu do PDA 36A
Otworek 1"	Thorlabs	P1000S	do montażu do PDA 36A
Optyczna aluminiowa płytka stykowa	Thorlabs	MB60120/M	(1,200 mm x 900 mm) podstawa
Plano Convex Lens f = 200 mm	Thorlabs	LA1979-B	Powlekany do IR, pierwsza soczewka teleskopowa
Plano Convex lens f = 75 mm	Thorlabs	LA1145-B	Powlekany dla IR, drugi obiektyw teleskopu
xy-stopień translacyjny	Newport	M401	Służy do regulacji teleskopu
Beamsampler	Thorlabs	BSF20-B	Rozdziela wyjście optyczne, używane do redukcji wejścia optycznego dla systemu projektora
Lustro	Thorlabs	BB2-E03	Lustro do sprzęgania wiązki z DLP Light Commander
Wytrzymały podnośnik	laboratoryjny Thorlabs	L490	Służy do montażu światłowodu i na górze stolika liniowego do pozycjonowania próbki (2x)
PDK-obiektyw	Nikon	Nikon AF Nikkor 50 mm 1:1:8:D	Obiektyw do DLP Light Commander, 50 mm
Soczewka wypukła Plano f = 100 mm	Soczewka Thorlabs	LA1050 -B	jest dołączona do soczewki dwuwypukłej obiektywu Nikon
f = 60  mm	Thorlabs	LB1723 -B	Soczewka do przymocowania do obiektywu Nikon w celu określenia transmisji optycznej za pomocą głowicy pomiarowej 30 W
Kwadratowe chronione złote lustro	Thorlabs	PFSQ20-03-M01
Karta czujnika podczerwieni dużej mocy	Newport	F-IRC-HP-M	Karta czujnika do sprawdzania ścieżki optycznej
2" krzyż nitkowy	BAM		Wykonany samodzielnie
1" celownik	BAM		Samodzielnie wykonany
poziomica Bullseye	Thorlabs	LCL01
Stopień translacyjny	Newport	M-UMR8.25	Służy do pomiaru profilu wiązki
Śruba mikrometryczna	Newport	DM17-25	Używana ze stolikiem translacyjnym M-UMR8.25
Zamontowana przysłona z zerową aperturą	Thorlabs	ID75Z/M	służy do sprawdzania optycznego Podstawy ścieżek
i uchwyty do słupków Zestaw podstawowy, komponenty metryczne i uniwersalne	Thorlabs	ESK01/M	Słupki podstawowe
i Zestaw akcesoriów Essentials Kit, komponenty metryczne i uniwersalne	Thorlabs	ESK03/M
M6 Zestaw z walcowym i osprzętu	Thorlabs	HW-KIT2/M
Szyny konstrukcyjne	Thorlabs	XE25L700/M
1" Kostka konstrukcyjna	Thorlabs	RM1G	Służy do montażu szyn budowlanych
Obróbka elektroerozyjna	Sodick	AG60L	www.sodick.de
St37 blok stalowy (100 x 100 x 40) mm3	BAM		własnej produkcji, wada ukryta z pozostałą grubością ścianki 0,25  mm, 0,5 mm, 0,70 mm, 1,25  mm (pokazane na Rysunek 5)
Blok St37 ze stali (100 x 100 x 40) mm	BAM		wykonany samodzielnie, wada ukryta z pozostałymi grubościami ścianek 1  mm, 1,5  mm, 1,75 mm, 2 mm (pokazane na Rysunek 5)
Grafit w sprayu	CRC Industries Europe NV	GRAPHIT 33	Ref. 20760, 200 mL aerozol (Kontakt-Chemie)
Taśma ochronna	Tesa	tesakrepp 4348	służy do ochrony ukrytych wad podczas powlekania