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 interakcję składowych bocznych (tj. w płaszczyźnie) między przejściowym przepływem ciepła a tą wadą. Oddziaływanie to można zmierzyć w postaci odtworzonego oscylacyjnego wydłużenia temperatury na linii symetrii na powierzchni próbki. Teraz próbka zawierająca defekt jest skanowana przez nałożone pole fali termicznej i mierzony jest poziom wydłużenia temperatury w stosunku do położenia próbki. Ze względu na symetrię, warunek interferencji niszczącej jest ponownie spełniony, gdy wada przecina płaszczyznę symetrii; Dzięki temu możemy bardzo precyzyjnie zlokalizować usterkę. Ponadto, ponieważ poziom maksymalnego zakłócenia interferencji niszczącej koreluje z głębokością defektu, możliwe jest określenie jego głębokości poprzez analizę temperatury scan¹.

LPPT można przypisać do metodologii aktywnej termografii, dobrze znanej metody nieniszczącej, gdzie przejściowe nagrzewanie jest aktywnie generowane, a wynikowy, również przejściowy, rozkład temperatury jest mierzony za pomocą kamery termowizyjnej IR. Ogólnie rzecz biorąc, czułość tej metodyki jest ograniczona do defektów, które są zorientowane zasadniczo prostopadle do przejściowego przepływu ciepła. Ponadto, ponieważ rządzące równanie przejściowego przewodzenia ciepła jest parabolicznym równaniem różniczkowym cząstkowym, przepływ ciepła do objętości jest silnie tłumiony. W związku z tym głębokość sondowania w metodologii aktywnej termografii jest ograniczona do obszaru przypowierzchniowego, zwykle w zakresie milimetrów. Dwie z najpopularniejszych technik termografii aktywnej to termografia pulsacyjna i termografia blokowana. Są szybkie ze względu na płaskie optyczne oświetlenie powierzchni², ale prowadzą do przejściowego przepływu ciepła prostopadłego do powierzchni. W związku z tym czułość tych technik jest ograniczona do defektów zorientowanych głównie równolegle (np. rozwarstwienia lub puste przestrzenie) do podgrzanej powierzchni próbki. Empiryczna reguła dla termografii pulsacyjnej mówi, że "promień najmniejszej wykrywalnej wady powinien być co najmniej jeden do dwóch razy większy niż jej głębokość pod powierzchnią"³. Aby zwiększyć efektywną powierzchnię interakcji między prostopadłie zorientowaną wadą (np. pęknięciem) a przepływem ciepła, należy zmienić kierunek przepływu ciepła. Wzbudzenie miejscowe, na przykład za pomocą skupionego lasera z liniową lub okrągłą plamką, generuje przepływ ciepła z komponentem w płaszczyźnie, który jest w stanie skutecznie oddziaływać z prostopadłym defektem^4,5,6,7.

W prezentowanej metodzie, używamy również składowych bocznego przepływu ciepła do wykrywania defektów podpowierzchniowych, ale wykorzystujemy fakt, że fale termiczne mogą być nakładane, podczas gdy defekty, zwłaszcza zorientowane pionowo, zakłócają tę superpozycję. W ten sposób prezentowana metoda przypomina metodę bezreferencyjną, symetryczną i bardzo czułą, ponieważ możliwe jest wykrycie sztucznych defektów podpowierzchniowych przy stosunku szerokości do głębokości znacznie poniżej jednego ^8,9. Do tej pory trudno było wytworzyć dwa przeciwfazowe pola fal termicznych dostarczające wystarczającą ilość energii. Osiągnęliśmy to poprzez sprzężenie przestrzennego modulatora światła (SLM) z laserem diodowym o dużej mocy, co umożliwiło nam połączenie wysokiej mocy optycznej systemu laserowego z rozdzielczością przestrzenną i czasową SLM (patrz rysunek 2) w projektorze o dużej mocy. Pola fal termicznych są obecnie wytwarzane przez fototermiczną konwersję dwóch antyfazowych, sinusoidalnie modulowanych wzorów liniowych poprzez jasność pikseli wyświetlanego obrazu (patrz Rysunek 2, Rysunek 1a). Prowadzi to do strukturalnego nagrzewania powierzchni próbki i skutkuje dobrze zdefiniowanymi, destrukcyjnie interferującymi polami fal termicznych. W celu znalezienia defektu podpowierzchniowego, zakłócenie destrukcyjnego wnioskowania jest mierzone jako oscylacja temperatury na powierzchni za pomocą kamery na podczerwień.

Termin fala termiczna jest kontrowersyjnie dyskutowany, ponieważ fale termiczne nie przenoszą energii ze względu na dyfuzyjny charakter rozchodzenia się ciepła. Mimo to podczas okresowego ogrzewania występuje zachowanie podobne do fali, co pozwala nam wykorzystać podobieństwa między rzeczywistymi falami a procesami dyfuzji^10,11,12. W związku z tym fala termiczna może być rozumiana jako silnie tłumiona w kierunku rozchodzenia się, ale okresowa w czasie (rysunek 1b). Charakterystyczna długość dyfuzji cieplnej jest niniejszym opisana przez jej właściwości materiałowe (przewodność cieplna k, pojemność cieplna c_p i gęstość ρ) oraz częstotliwość wzbudzenia ƒ. Chociaż fala termiczna silnie zanika, jej falowy charakter można zastosować do uzyskania wglądu w właściwości próbki. Po raz pierwszy zastosowano interferencję fal termicznych do wyznaczenia grubości warstw. W przeciwieństwie do naszej metody, efekt interferencji został wykorzystany w wymiarze głębokości (tj. prostopadle do powierzchni)¹³. Rozszerzając ideę interferencji na drugi wymiar poprzez rozszczepienie wiązki laserowej, interferencja fal termicznych została wykorzystana do zwymiarowania defektów podpowierzchniowych¹⁴. Metoda ta była jednak stosowana w konfiguracji transmisyjnej, co oznacza, że była ograniczona głębokością penetracji fali termicznej. Ponadto, ponieważ użyto tylko jednego źródła lasera, metoda ta wykorzystuje konstruktywną interferencję, co oznacza, że potrzebne jest odniesienie wolne od wad. Oprócz pomysłu wykorzystania interferencji fal termicznych, pierwsze techniczne podejście do ogrzewania kontrolowanego przestrzennie i czasowo zostało przeprowadzone przez Holtmanna i in. przy użyciu niezmodyfikowanego projektora z wyświetlaczem ciekłokrystalicznym (LCD) z wbudowanym źródłem światła, który był poważnie ograniczony pod względem optycznej mocy wyjściowej¹⁵. Dalsze podejścia Pribe i Ravichandrana miały na celu zwiększenie optycznej mocy wyjściowej poprzez sprzężenie lasera z SLM^16,17.

Protokół przedstawiony tutaj opisuje, jak zastosować metodę LPPT do lokalizacji defektów podpowierzchniowych zorientowanych prostopadle do powierzchni próbek stali. Metoda jest na wczesnym etapie, ale wystarczająco skuteczna, aby zweryfikować proponowane podejście; Jednak nadal jest ograniczony pod względem osiągalnej optycznej mocy wyjściowej układu eksperymentalnego. Ponieważ wzrost optycznej mocy wyjściowej pozostaje wyzwaniem, przedstawiona metoda jest stosowana do stali powlekanej zawierającej sztuczne wyładowcze nacięcia obrabiane elektrycznie. Niemniej jednak najważniejsze i najbardziej krytyczne etapy protokołu, generowanie jednorodnego oświetlenia strukturalnego, spełnianie warunków wstępnych destrukcyjnej interferencji fal termicznych i lokalizacja defektu, nadal obowiązują w przypadku bardziej wymagających defektów. Ponieważ decydującą wielkością jest długość dyfuzji termicznej μ, metoda LPPT może być również stosowana do wielu różnych materiałów.

Rysunek 1: Zasada destrukcyjnego efektu interferencyjnego. (a) Schemat wzoru oświetlenia używanego podczas eksperymentów. Próbka jest przestrzennie i czasowo ogrzewana przez dwa okresowo oświetlone wzory z przesunięciem fazowym o π. Linia przerywana reprezentuje linię symetrii między obydwoma wzorami. Wiersz ten będzie używany do oceny jako "linia zubożenia". b) Wykres przestrzennie i czasowo rozdzielonego zmiennego wyniku termicznego obliczonego na podstawie analitycznego rozwiązania równania przewodzenia ciepła cieplnego. Pokazuje fale termiczne reagujące na oświetlenie (a) z natężeniem promieniowania dwóch wzorów przy P_opt1 = 1,5 W sin(2π 0,125 Hz t) + 1,5 W i P_opt2 = 1,5 W sin(2π 0,125 Hz t + π) + 1,5 W dla stali konstrukcyjnej ρ = 7,850 kg/m³, c_p = 461 J/(kg·K), k = 54 W/(m·K). Profil temperatury na linii przerywanej nie wykazuje oscylacji termicznych dla jednorodnego, izotropowego materiału. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Schemat zasady pomiaru ogrzewania strukturalnego stosowanego w termografii aktywnej. Wiązka Gaussa homogenizowana do profilu cylindra jest stosowana do przestrzennego modulatora światła (SLM). SLM rozdziela wiązkę przestrzennie za pomocą przełączalnych elementów, a czasowo za pomocą prędkości przełączania. Każdy element reprezentuje piksel SLM. W tym eksperymencie SLM jest cyfrowym urządzeniem z mikrolustrem (DMD). Modulując jasność piksela A za pomocą deterministycznego oprogramowania sterującego w czasie, powierzchnia próbki jest podgrzewana w ustrukturyzowany sposób. W przypadku prezentowanego eksperymentu modulujemy dwie linie antyfazowe (fazy: φ = 0, π), które są początkiem koherentnie interferujących pól fal termicznych o częstotliwości kątowej ω. Pola falowe oddziałują z wewnętrzną strukturą próbki, wpływając również na pole temperatury na powierzchni. Jest to mierzone za pomocą promieniowania cieplnego przez średniofalową kamerę na podczerwień. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

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.
   1. Przymocuj światłowód do uchwytu światłowodu laserowego (por. rysunek 3).
   2. Włącz migawkę i próg lasera diodowego. Korzystając z karty czujnika podczerwieni o dużej mocy, sprawdź średnicę wyjściową (40 mm) wiązki. Wyłącz próg lasera i włącz laser pilotujący. Dostosuj wysokość osi optycznej na mocowaniu światłowodu laserowego do wejścia PDK za pomocą gniazda laboratoryjnego (por. Rysunek 4a, 4d).
   3. Przesuń uchwyt światłowodu laserowego wzdłuż szyny. Obserwuj położenie lasera pilotującego w pewnej odległości. Jego środek nie powinien się poruszać. W takim przypadku sprawdź mocowanie między gniazdem laboratoryjnym a uchwytem światłowodowym lasera. Następnie zamocuj uchwyt lasera.
      UWAGA: Szyna stanowi odniesienie dla osi optycznej i powinna być wyrównana równolegle do płytki stykowej. Soczewki teleskopu należy wcześniej zdjąć.
3. Wyreguluj teleskop.
   1. Za pomocą teleskopu zmniejszyć średnicę wiązki z 40 mm do 15 mm, aby zmieściła się w wejściu PDK (por. rys. 4a, 4d). Użyj wypukłej soczewki plano 200 mm i 75 mm jako odpowiednio pierwszej i drugiej soczewki. Użyj lasera pilotującego i krzyża nitkowego, aby ustawić pierwszą soczewkę (por. rysunek 4b).
   2. Z grubsza dostosuj odległość między obiema soczewkami za pomocą stalowej linijki. Ponownie użyj krzyża nitkowego, aby ustawić obiektyw na laserze pilotującym. Zamontuj drugi obiektyw na stoliku translacyjnym xy. Użyj stolika, aby skolimować wiązkę.
4. Wyrównaj próbnik wiązki.
   1. Uderz (wiązką lasera) w próbnik wiązki pod kątem 45°. Użyj drugiej szyny prostopadłej do pierwszej, aby ustawić próbnik wiązki.
      UWAGA: Większość mocy optycznej jest chłodzona przez miernik mocy 500 W. Wyjście optyczne lasera diodowego jest bardziej stabilne przy pełnej mocy, dlatego moc optyczna jest podzielona.
   2. Użyj przysłony w słupku o ustalonej wysokości, aby sprawdzić ścieżkę optyczną wzdłuż szyny (por. rysunek 4a) za pomocą lasera pilotującego.
5. Wyrównaj lusterko.
   1. Przed ustawieniem lusterka, jak pokazano na rysunku 4c, zdejmij PDK i jego płytę podstawy. Zamocuj trzecią szynę prostopadłą do drugiej. Jeszcze raz sprawdź ścieżkę optyczną przy iris.
      UWAGA: Ścieżka optyczna powinna być wyrównana z orientacją szyny. Belka powinna być skolimowana.
6. Zdemontuj i ustaw PDK.
   1. Przed ustawieniem PDK¹⁸ usuń oryginalny silnik świetlny.
      UWAGA: Istniały dwie poprzednie soczewki pierwotnie kolimujące diody LED PDK¹⁹ (por. Rysunek 4d, wejście). Są klejone i należy je usunąć za pomocą acetonu.
   2. Ustawić platformę PDK tak, aby była równoległa do trzeciej szyny, a tym samym do osi optycznej wiązki. Użyj krzyża nitkowego dostosowanego do wejścia PDK, aby ustawić PDK względem belki. Utrzymuj wyrównanie równolegle. Wyłącz laser pilotujący, ponieważ jest zbyt słaby, aby przejść przez PDK.
7. Wyświetl biały obraz w celu sprawdzenia mocy optycznej.
   1. Upewnij się, że HDMI i USB PDK oraz karta akwizycji danych (DAQ) są podłączone do komputera sterującego. Podłącz porty w skrzynce sterowniczej lasera dla "migawki lasera", "progu lasera" i "lasera włączonego" do karty DAQ. Podłącz port "laserowego napięcia sterującego" skanera skrzynki sterowniczej do karty DAQ.
   2. Uruchom oprogramowanie sterujące PDK²⁰ i skonfiguruj go jako zwykły projektor, postępując zgodnie z krokami od i.1 do i.3 na rysunku 5b. Włącz drugi ekran i upewnij się, że na drugim ekranie nie ma okna. Użyj białego tła pulpitu i sprawdź działanie projektora z lampą błyskową LED jako wejściowym źródłem światła.
      UWAGA: Jeśli biały obraz jest rzutowany na płaszczyznę obrazu PDK, urządzenie działa poprawnie.
8. Sprawdź optyczną moc wejściową.
   1. Umieść głowicę miernika mocy 30 W przymocowaną do jednostki sterującej miernika mocy w torze optycznym przed PDK (por. Rysunek 4e - pozycja 1). Włącz laser diodowy za pomocą oprogramowania sterującego laserem LPPT, wykonując kroki od i.1 do i.3 na rysunku 5a) przy niskim poziomie mocy kroku i.1 = 0.5 V.
      UWAGA: Oprogramowanie sterujące laserem LPPT przełącza kartę DAQ, która przełącza wyjścia sterujące laserem (porównaj 1.7.1). Weź pod uwagę bezpieczeństwo lasera, noś okulary i odzież ochronną!
   2. Sprawdź położenie czujnika miernika mocy za pomocą karty czujnika podczerwieni o dużej mocy. Przytrzymaj kartę IR w wiązce i obserwuj, jak się świeci. Dopasuj średnicę wiązki do obszaru czujnika miernika mocy (Rysunek 3).
   3. Sprawdź maksymalną optyczną moc wejściową na wejściu do PDK (ponownie postępuj zgodnie z rysunkiem 5a), krok i.1) o wartości 10 V.
      UWAGA: Optyczna moc wejściowa na wejściu PDK powinna wynosić maksymalnie około 22 W²¹. W tej konfiguracji czasy pomiaru do 5 minut były tolerowane bez niszczenia SLM, co w przypadku PDK jest realizowane jako cyfrowe urządzenie mikrolustrzane (DMD).
9. Sprawdź optyczną moc wyjściową.
   1. Głowicę miernika mocy 30 W ustawić w przybliżonej odległości 60 mm od PDK za pomocą soczewki f = 60 mm przymocowanej do obiektywu PDK (por. rysunek 4e).
   2. Ustaw lampę błyskową LED przy wejściu do projektora (patrz Rysunek 4d) i włącz ją. Dostosuj położenie głowicy miernika mocy tak, aby zbierała światło wyświetlanego obrazu, jak pokazano na rysunku 4e. Następnie usuń lampę błyskową LED.
   3. Uruchom oprogramowanie sterujące laserem LPPT. Wprowadź "0.5 V" w polu "napięcie" i kliknij przycisk "Laser włączony!". Odczytaj moc optyczną z jednostki sterującej miernika mocy. Zatrzymaj laser, klikając przycisk "Stop". Powtórz te kroki dla 2 V, 6 V, 10 V (por. Rysunek 5a, i.1 do i.3).
      UWAGA: Jeśli napięcie 10 V zapewnia optyczną moc wyjściową >4 W, wstępny test kończy się pomyślnie. W przeciwnym razie należy sprawdzić wyrównanie optyczne. Spróbuj zmaksymalizować optyczną moc wyjściową, precyzyjnie regulując lustro.
10. Zmierz profil belki.
    1. Użyj fotodiody ze wzmacniaczem i otworkiem, aby zmierzyć profil wiązki wynikowego rzutowanego obrazu (por. rysunek 4f). Jeśli dostępny jest profiler wiązki, należy użyć tego urządzenia, ale osłabić wiązkę.
    2. Przymocuj fotodiodę do stolika translacyjnego, który z kolei jest zamontowany na wsporniku. Podłącz również filtr odbiciowy o neutralnej gęstości (ND)1 i otwór 1 mm do diody. Umieść fotodiodę na zmotoryzowanym stoliku translacyjnym i podnośniku laboratoryjnym. Aby uzyskać wysokość, użyj dwóch płytek stykowych (100 mm x 100 mm).
    3. Użyj obiektywu f = 100 mm za obiektywem PDK (por. rysunek 4e) i wyświetl biały obraz za pomocą lampy błyskowej LED (por. krok 1.7). Przesuń fotodiodę na płaszczyznę obrazu i upewnij się, że zakres fotodiody poruszającej się w fazie translacji mieści się w wyświetlanym obrazie (por. rysunek 4f).
    4. Podłącz fotodiodę do zasilacza i karty DAQ. Użyj wzmocnienia 40 dB dla napięcia sterującego 6 V dla optycznej mocy lasera. Podłącz kontroler ruchu dla zmotoryzowanego stolika translacyjnego do komputera sterującego.
       UWAGA: Oprogramowanie intensywności LPPT steruje ruchem fotodiody z otworem przez oświetlany obszar ze stałą prędkością v = 0,1 mm/s i rejestruje sygnał fotodiody przy 100 kHz. Laser jest również sterowany za pomocą oprogramowania.
    5. Użyj mikrometrycznej stolika w krokach co 1 mm, jak pokazano na rysunku 4f, aby zeskanować obraz. Zobacz wyniki pokazane na rysunku 6a-6b.
11. Oblicz obraz korekcyjny.
    1. Aby skorygować niejednorodność profilu wiązki, należy obliczyć odwróconą macierz pikseli względem profilu wiązki. Zidentyfikuj zakres wyświetlanego obrazu za pomocą algorytmu wykrywania krawędzi.
    2. Przekształć informacje o czasie w informacje przestrzenne za pomocą prędkości stołu. Przekształć informacje przestrzenne w domenę pikseli PDK, gdzie x = 1 024 pikseli i y = 768 pikseli. Znormalizuj sygnał diody do wartości maksymalnej.
       UWAGA: Poziom odniesienia dla korekcji został wybrany ze średnią wszystkich znormalizowanych wartości obrazów. Poziom tłumienia oblicza się za pomocą:
       
       _{P Pixel} to znormalizowana intensywność diody na piksel. Wartości _{parametru Pixel LC} powyżej 1 są ustawione na 1.
    3. Pomnóż matrycę korekcyjną (por. rysunek 6c) przez biały obraz i ponownie zmierz profil, aby sprawdzić, czy korekta była wystarczająca (por. rysunek 6e-6h).

2. Przygotuj próbkę

1. Jako materiał próbny należy użyć dwóch bloków o wymiarach 100 mm x 100 mm x 40 mm ze stali konstrukcyjnej St37 o gęstości ρ = 7 850 kg ^m-3, przewodności cieplnej k = 54 W·^m-1·^K-1 i pojemności cieplnej c_p = 461 J·^kg-1·^K-1.
2. Wstaw sztuczne defekty w dwóch blokach pod kątem 0,25 mm, 0,5 mm, 0,7 mm, 1,25 mm i 1 mm, 1,5 mm, 1,75 mm, 2 mm poprzez obróbkę elektroerozyjną pod powierzchnią, jak pokazano na rysunku 7.
3. Zaklej ubytki taśmą ochronną. Wypiaskować górną powierzchnię, aby uzyskać jednorodną absorpcję. Przed nałożeniem powłoki należy zakleić ubytki taśmą ochronną. Odtłuścić powierzchnię za pomocą acetonu.
4. Pokryj oświetlony obszar sprayem grafitowym z odległości 30 mm dwukrotnie (0° i 90°). Powłoka jest skuteczna, jeśli powierzchnia jest jednorodna. Jeśli powłoka nie jest nienaruszona, ponownie rozpocznij odtłuszczanie i czyszczenie, a następnie powtórz etap powlekania. Osuszyć powierzchnię ~2 h. Nie dotykaj powierzchni, zmieni to emisyjność.
5. Usuń taśmę i upewnij się, że grafit nie dostanie się do ubytku podpowierzchniowego.

3. Przygotuj eksperyment

1. Przygotuj PDK i laser diodowy.
   1. Wyświetl biały obraz zgodnie z opisem w kroku 1.7). Sprawdź optyczną moc wejściową PDK zgodnie z opisem w kroku 1.8). Sprawdź optyczną moc wyjściową PDK, jak pokazano w kroku 1.9).
   2. Podłącz głowicę miernika mocy 500 W do jednostki sterującej miernika mocy i podłącz miernik mocy do komputera sterującego (PC) za pomocą USB.
2. Przygotuj kontroler ruchu i ustaw próbkę.
   1. Podłącz kontroler ruchu do stolika tłumaczenia i do komputera sterującego za pomocą USB. Ustawić stolik translacyjny prostopadle do osi optycznej w odległości około 80 mm względem PDK.
      UWAGA: Oprogramowanie LPPT uruchomione na komputerze sterującym steruje sterownikiem ruchu.
   2. Przymocuj obiektyw f = 100 mm do obiektywu PDK. Użyj lampy błyskowej LED jako wejściowego źródła światła (por. rysunek 4d, krzyż nitkowy oznacza wejście) do PDK, aby znaleźć płaszczyznę obrazu projektora.
      1. Umieść biały arkusz papieru w przybliżonej odległości 100 mm przed obiektywem i przesuwaj go do przodu i do tyłu, aby znaleźć płaszczyznę ostrego oświetlonego prostokąta, która jest płaszczyzną obrazu.
   3. Umieść powlekaną powierzchnię próbki w tej płaszczyźnie. Ustaw wysokość próbki za pomocą podnośnika laboratoryjnego zamontowanego na stoliku translacji liniowej. Wybrać wysokość tak, aby górna część oświetlonego prostokąta stykała się z górną krawędzią próbki (por. rysunek 4g). Ustaw wadę tak, aby znajdowała się w zasięgu oświetlanego obszaru.
   4. Wyzeruj kontroler ruchu, wyłączając i ponownie włączając urządzenie.
3. Przygotuj aparat i ustaw złote lustro.
   1. Użyj lampy błyskowej LED jako wejściowego źródła światła dla projektora, aby wyświetlić biały obraz na próbce.
   2. Umieść złote lustro na wysokości tak, aby widziało górną krawędź próbki (Rysunek 4g). Ustaw lustro pod kątem około 35°, jak pokazano na rysunku 3. Umieść złote lustro jak najbliżej obiektywu PDK, ale nie zacieniając projekcji.
      UWAGA: Lustro jest przymocowane do słupka w zamontowanym uchwycie na słupek. Wysokość i położenie są ustalane za pomocą zacisków.
   3. Zamontuj kamerę na podczerwień na statywie. Zrównoważ kamerę na podczerwień z poziomicą w kształcie tarczy. Dostosuj kamerę na podczerwień do wysokości obiektywu PDK. Ustaw go tak, aby widział wyświetlany biały obraz nad złotym lustrem.
      UWAGA: Przybliżona odległość wzdłuż ścieżki optycznej wynosi około 1 m.
   4. Użyj pierścienia dystansowego znajdującego się między obiektywem kamery na podczerwień a kamerą na podczerwień. Upewnij się, że wejście wyzwalające kamery jest podłączone do karty akwizycji danych pomiarowych, aby wyzwolić przechwytywanie klatek. Podłącz również komputer sterujący kamerą na podczerwień do kamery na podczerwień za pomocą LAN.
   5. Włącz kamerę i poczekaj co najmniej na czas rozgrzania (ok. 30 min).
   6. Uruchom oprogramowanie sterujące kamerą na podczerwień. Zmień pozycję paska menu na "Aparat". Kliknij przycisk "Połącz", aby podłączyć kamerę na podczerwień (por. Rysunek 8a, krok i.1).
      UWAGA: Kamera pokazuje obraz sceny na żywo.
   7. Kliknij przycisk "Remote", aby otworzyć panel "Remote Control" (por. Rysunek 8d, krok i.2). Wybierz kalibrację "HF 100mm (-10 °C - 60 °C) 1140 μs". Patrz rysunek 8d, krok i.2.1.
      UWAGA: Zakres kalibracji powinien być jak najmniejszy, aby zmniejszyć hałas.
   8. Ręcznie wyreguluj pierścień ostrości obiektywu, aby ustawić ostrość kamery na podczerwień na sample płaszczyzna.
      UWAGA: Ważne jest, aby pole widzenia kamery było tak duże, jak maksymalny rzutowany obszar, aby uzyskać maksymalną rozdzielczość przestrzenną (por. rysunek 4g). Może być konieczna zmiana położenia, wysokości i orientacji kamery na podczerwień. Aby zdecydować, czy obraz jest ostry, potrzebny jest kontrast temperaturowy na płaszczyźnie obrazu. Do wygenerowania kontrastu można użyć stalowej linijki. Jeśli obraz w podczerwieni nadal ma niski kontrast, można go dostosować za pomocą narzędzia do zaznaczania (por. rysunek 8c, i.3)
   9. Wykonać korekcję niejednorodności, klikając przycisk "NUC" (por. rysunek 8d, krok i.2.2). Zakryj obiektyw kamery na podczerwień i kliknij przycisk "ok".
4. Określ relację między domeną pikseli kamery na podczerwień a współrzędnymi projektora.
   1. Określ zależność między domeną pikseli PDK, domeną pikseli kamery IR i skalą długości próbki, rzutując biały obraz lub wzór na powierzchnię próbki (por. rysunek 4 g, h). Zmierz rzutowany obszar za pomocą stalowej linijki, która podaje zależność między domeną PDK a skalą długości próbki.
   2. Użyj soczewki f = 100 mm dołączonej do obiektywu PDK, aby uzyskać oświetlony obszar o wymiarach 21,3 mm x 16 mm (4:3).
      UWAGA: Skala długości we współrzędnych PDK wynosi: 1 piksel rzutowany = 21,3 mm/1,024 piksel
   3. Znajdź relację między PDK a kamerą na podczerwień. Powtórz krok 1.9.3) dla 10 V.
      1. Użyj oprogramowania kamery na podczerwień, aby zmienić pozycję paska menu na "Zmierz". Wybierz narzędzie "Krzyż" z paska narzędzi "Zmierz obszary" (por. Rysunek 8c), krok i.4). Zaznacz rogi wynikowego obrazu termicznego, klikając lewym przyciskiem myszy pokazaną ramkę.
      2. Kliknij prawym przyciskiem myszy krzyżyk, aby przejść do okna właściwości. Zamień je na "współrzędne" i zapisz je w celu późniejszego przekształcenia obrazu termicznego do układu współrzędnych PDK.

4. Implementacja eksperymentu

1. Przygotuj eksperyment.
   1. Oszacuj powierzchnię oświetlenia w stosunku do skali długości próbki.
      1. Użyj obiektywu f = 100 mm, aby uzyskać oświetlony obszar o wymiarach 5,5 mm x 16 mm na wzór. Wybierz obszar o wymiarach 5,5 mm x 16,5 mm pomiędzy nimi, który nie jest oświetlony.
         UWAGA: Wynikowe natężenie promieniowania wynosi około 1,2 W/cm².
   2. Oszacuj obszar oświetlenia w jednostkach względem domeny pikseli PDK.
      1. Przekształć położenie podświetlonego wzoru na domenę pikseli PDK (1 024 x 768 pikseli), korzystając z równania w kroku 3.4.2). Użyj [(512, 1); (512, 768)] pikseli w domenie PDK jako linię zubożenia, która jest symetryczna między oboma wzorcami.
   3. Obliczanie całkowitej liczby klatek, czasu pomiaru i klatek w okresie. Przyjmując prędkość v = 0,05 mm/s, odległość przesuwu stolika x = 10 mm i częstotliwość odświeżania PDK ƒr = 40 Hz, oblicz czas pomiaru t za pomocą t = x/v = 200 s. Oblicz również liczbę ramek noƒ =ƒ r • t = 8 000. Przy częstotliwości wzbudzenia ƒ = 0,125 Hz oblicz klatki na okres p z p = brakƒ/tƒ = 320 ramek/okres.
      Uwaga: Te wartości zostaną użyte do wygenerowania wyświetlanych obrazów.
   4. Sprawdź konfigurację i upewnij się, że system laserowy, kamera na podczerwień i (opcjonalnie) regulator temperatury są podłączone do karty DAQ. Sprawdź, czy miernik mocy 500 W, PDK i stolik liniowy są podłączone do komputera sterującego.
2. Skonfiguruj komputer sterujący kamerą.
   1. Skonfiguruj oprogramowanie sterujące kamerą na podczerwień tak, aby przechwytywało klatkę, gdy kamera na podczerwień otrzyma sygnał wyzwalający. W tym celu przejdź do panelu "Kamera" i kliknij przycisk "Zdalne" (por. Rysunek 8a, krok i.2), aby otworzyć panel zdalnego sterowania. Wybierz "Process IO" z menu rozwijanego (Rysunek 8d, krok i.2.3) i włącz "Sync In" i "Gate" i zamknij menu.
   2. Otwórz menu akwizycji, klikając w prawym dolnym rogu zakładki "Parametry akwizycji" (por. Rysunek 8a, i.5). Wybierz "Ext/Sync" z menu rozwijanego (por. Rysunek 8b, i.5.1). Nazwij pomiar, wprowadzając nazwy plików i folderów w polu "Folder" (patrz Rysunek 8b, i.5.2).
   3. Wprowadź całkowity numer klatki obliczony od kroku 4.1.3 do pola "liczba" (por. i.5.3). Zamknij menu rejestracji i kliknij przycisk "Nagraj", aby rozpocząć akwizycję danych z kamery na podczerwień (por. Rysunek 8, i.6).
      UWAGA: Nagrywanie odbędzie się tylko wtedy, gdy istnieje wejście wyzwalające z karty DAQ.
3. Przeprowadź eksperyment.
   1. Uruchom oprogramowanie sterujące LPPT. Aktywuj kontroler ruchu, klikając przycisk "Aktywować?" (Rysunek 9a, i.1). Ustaw parametry jazdy "StartPosition" = "-5 mm", "EndPosition" = "5 mm" i "Velocity" = "0,05 mm/s", edytując odpowiednie nazwane pola, jak pokazano na rysunku 9a, i.1. Kliknij przycisk "Rozpocznij pomiar" (patrz Rysunek 9a, i.2).
      UWAGA: W przypadku, gdy nie jest jasne, gdzie znajduje się usterka, wybierz większą odległość jazdy z większą prędkością. Zwróć uwagę na wzrost temperatury PDK i ilość tworzonych danych. Zwróć uwagę, że pojawi się interfejs użytkownika do generowania obrazów ramek (por. Rysunek 9b).
   2. Wygeneruj rzutowane obrazy ramek.
      1. Kliknij lewym przyciskiem myszy pole "Wybierz kolor obszaru". Wybierz kolor obszaru wzoru z okna dialogowego koloru (Rysunek 9, i.3). Wybierz "narzędzie prostokąt" z paska narzędzi do rysowania w lewym górnym rogu.
      2. Narysuj prostokąt w obszarze obrazu, klikając lewym przyciskiem myszy i przytrzymując, jednocześnie rozciągając się na obszar obrazu. Użyj przekształconych współrzędnych wzorca z kroku 4.1.2), aby zmienić rozmiar współrzędnych prostokąta pokazanych w lewym dolnym rogu (i.4). Kliknij przycisk "zdefiniuj obszar" (Rysunek 9b, i.5).
         UWAGA: Obliczone współrzędne pikseli w domenie PDK dla rozmiaru wzoru 5,5 mm to: Prostokąt 1 (x1 = 116, y1 = 1; x2 = 380, y2= 768), Prostokąt 2 (x1 = 644, y1 = 1; x2 = 908, y2= 768). Po kliknięciu przycisku "zdefiniuj obszar" pojawi się okno dialogowe do ustawienia właściwości wzoru.
   3. Ustaw właściwości wzoru (Rysunek 9c, i.6).
      1. Wybierz "fala sinusoidalna" z menu rozwijanego, klikając lewym przyciskiem myszy na pole "Typ sygnału". Zdefiniuj parametry oscylacji, ustawiając pola "Przesunięcie fazowe" na "0°", "Częstotliwość" na "0,125 Hz" i "Amplituda" na "127" (przesunięcie fazowe 0 dla pierwszego wzorca i przesunięcie fazowe π dla drugiego).
      2. Ustaw napięcie lasera na 10 V, wstawiając "10" w polu "Napięcie". Wklej liczbę 320 w polu "Zdjęcia/kropka", używając wartości z kroku 4.1.3). Naciśnij przycisk "Dalej"; Spowoduje to zamknięcie panelu.
         UWAGA: Oprogramowanie sterujące LPPT oblicza okresowy strumień obrazu w rozdzielczości PDK. Ponieważ biały piksel oznacza maksymalną moc optyczną, a piksel zerową moc, obliczane są dwa wzory oscylacji. Wartość szarości pierwszego wzoru jest obliczana przy P₁ = 127 sin (2π 0,125 Hz t) + 127, a drugiej przy P₂ = 127 sin (2π 0,125 Hz t + π) + 127 (patrz rysunek 2, wykres), podczas gdy czas t jest dyskretyzowany do wybranej liczby klatek na sekundę (por. krok 4.3.4).
   4. Utwórz drugi wzór rzutowany.
      1. Powtórz kroki 4.3.2) i 4.3.3) zgodnie z przebiegiem pracy przedstawionym na rysunku 9, ale z innym kolorem i innym "przesunięciem fazowym" o "180°". Kliknij przycisk "Calc Frames", aby obliczyć rzutowane wzorce. Ustaw liczbę klatek na sekundę PDK i kamery na podczerwień na "40 Hz" w wyskakującym oknie dialogowym.
   5. Załaduj obraz korekcyjny.
      1. Postępuj zgodnie z przebiegiem pracy przedstawionym na rysunku 9b), krok i.12. Wybierz panel "załaduj korekcję" i podaj plik dla obliczonego obrazu z kroku 1.11). Załaduj obraz korekcyjny, klikając przycisk.
   6. Rozpocznij pomiar, klikając przycisk "Start" (por. Rysunek 9b, krok I.13).
      UWAGA: Obliczone klatki będą rzutowane na próbkę, gdy stolik jest w ruchu. Klatki zostaną pobrane i zliczone przez oprogramowanie sterujące kamerą na podczerwień.
   7. Zatrzymaj pomiar po uzyskaniu wszystkich klatek (pasek postępu = 100 %), klikając przycisk "Zatrzymaj pomiar" (por. Rysunek 9a, i.14).
      UWAGA: Etykieta przycisku zmieni się po kliknięciu.

5. Przetwarzanie końcowe pliku danych

1. Uruchom oprogramowanie do post-processingu LPPT. Kliknij przycisk "załaduj" i wybierz plik pomiarowy w oknie dialogowym pliku. Kliknij "OK", aby przekształcić format danych kamery na format danych przetwarzania końcowego (por. Rysunek 10a).
   UWAGA: Dane kamery na podczerwień są przechowywane na komputerze sterującym kamerą na podczerwień w formacie natywnym. Zestaw narzędzi do sterowania kamerą na podczerwień służy do konwersji sekwencji kamery na podczerwień na trójwymiarową matrycę (piksel X, piksel Y, numer klatki) i nagłówek zawierający wektor czasowy t.
2. Przekształć dane z kamery na podczerwień do domeny PDK (por. Rysunek 10b), wstawiając współrzędne czterech punktów projekcji od P1x do P4y z kroku 3.4.3) i klikając "Przekształć".
   UWAGA: Ze względu na projekcję obrazu przez złote lustro do kamery na podczerwień (por. rysunek 4g), wynikowy obraz w podczerwieni jest zniekształcony. Afiniczna transformacja geometryczna jest wykonywana z domeny kamery na podczerwień do domeny PDK. Wynikiem jest matryca o wymiarach 1 024 x 768 x numer klatki.
3. Wyodrębnij informacje o temperaturze na linii zubożenia (por. rysunek 10c).
   1. Zdefiniuj linię zubożenia za pomocą dwóch punktów L1 i L2, wypełniając pola L1x = Lx2 = piksel "512", jak to zostało już wybrane w kroku 4.1.2). Wybierz y od L1y = "343" do L2y = "393". Patrz rysunek 10c.
      UWAGA: Ze względu na transformację w kroku 5.2) dane można pobrać od razu, ale występują skutki uboczne, ponieważ próbka jest tylko częściowo oświetlona. W związku z tym nie należy oceniać obszarów krawędzi szyków. Jeśli hałas jest nadal zbyt wysoki, rozmiar y można zwiększyć.
   2. Ustaw parametry eksperymentalne dla kamery na podczerwień, wypełniając następujące pola: FrameRate jako "40" Hz, częstotliwość jako "0.125" Hz, prędkość v jako "0.05" mm/s i pozycja początkowa xStart jako "-5" mm (por. Rysunek 10c). Ustaw parametry przetwarzania końcowego danych: "Stopień dopasowania" = "7", "Wygładzenie" = "20" i "Hilbert" = "500", jak na rysunku 10c.
      UWAGA: Dane wyodrębnione na linii wyczerpania są uśredniane geometrycznie. Następnie składnik zmiennej temperatury ΔT (patrz rysunek 11a, b) jest uzyskiwany poprzez wykonanie dopasowania wielomianowego (stopień dopasowania). Wynikowy sygnał jest wygładzany przez filtr średniej ruchomej (Wygładzanie). Na koniec stosuje się transformację Hilberta w celu odzyskania chwilowej amplitudy. Kolejny filtr średniej ruchomej (Hilbert) jest stosowany w celu zmniejszenia tętnień resztkowych. Na podstawie informacji o minimalnej amplitudzie uzyskuje się położenie wady ukrytej.
   3. Kliknij "Oceń", aby przeprowadzić analizę danych. Odczytać obliczoną pozycję defektu z pola "CrackPosition [mm]". Pozycja wady jest pokazana w oknie na rysunku 10d.

Rysunek 3: Zdjęcie układu doświadczalnego z zaznaczoną ścieżką optyczną (czerwona linia). Mocowanie światłowodu laserowego jest przymocowane do włókna lasera diodowego. Wiązka jest dostosowywana przez teleskop do średnicy wejścia PDK. Przed wejściem do PDK wiązka jest dzielona przez próbnik wiązki i monitorowana przez miernik mocy. Wewnątrz PDK wiązka jest homogenizowana i rzutowana na DMD. PDM, sterowany przez oprogramowanie sterujące LPPT, rzutuje wzory oświetlenia na próbkę. Emitowane światło jest przekształcane fototermicznie i podgrzewa próbkę. Temperatura jest mierzona za pomocą kamery na podczerwień za pomocą promieniowania cieplnego (pomarańczowa linia) emitowanego z powierzchni próbki. Sama próbka jest umieszczana na stoliku translacji liniowej. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Sekwencja zdjęć przedstawiająca regulację układu eksperymentalnego. (a) Widok z góry konfiguracji eksperymentalnej pokazuje przegląd. (b) Ustawienie teleskopu: Krzyż nitkowy służy do wyśrodkowania soczewki do osi optycznej wiązki laserowej. (c) Wyrównanie elementów optycznych: System prętów zamontowany na ławce optycznej służy do wyrównania wiązki optycznej względem stołu. Przysłona o stałej wysokości służy do utrzymywania belki równolegle do ławki. (d) Zdjęcie widoku z boku punktu sprzężenia między projektorem a belką. Krzyż nitkowy służy do wyrównania projektora do wiązki. (e) Określanie transmisji systemu projektora: Miernik mocy służy do pomiaru mocy optycznej przed i za projektorem. (f) Określenie profilu wiązki: Filtr otworkowy i ND1 są zamontowane na diodzie, która jest przesuwana za pomocą dwóch stopni liniowych przez wyświetlany obraz. Projektor musi być skonfigurowany do wyświetlania białego obrazu. g) Umiejscowienie kamery termowizyjnej względem próbki za pomocą złotego lustra: Próbka musi być umieszczona w płaszczyźnie obrazu projektora. Aby kontrolować gęstość mocy, można użyć obiektywu i dodatkowych soczewek dołączonych do obiektywu. h) Określenie skali między wyświetlanym obrazem, obrazem z kamery w podczerwieni a rzeczywistą długością próbki. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 5: Zrzuty ekranu oprogramowania. (a) Zrzut ekranu oprogramowania sterującego laserem LPPT. (b) Oprogramowanie sterujące PDK: Kroki od i.1 do i.3 pokazują, jak skonfigurować PDK jako zwykły projektor. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 6: Korekta niejednorodnego profilu belki. (a) Profil wiązki rzutowanego białego obrazu (pełne oświetlenie) wykonanego przez fotodiodę, która została przesunięta przez profil. Dane pokazują niejednorodny profil wiązki z wyraźnym szczytem pośrodku. b) profil linii przekroju poprzecznego odpowiadający czerwonej linii w a). c) Obraz korekcyjny, który nakłada się na SLM z rzutowanym białym obrazem w celu zmniejszenia poziomu niejednorodności. d) odpowiedni profil linii przekroju poprzecznego czerwonej linii w lit. c). (e) Wynikowy profil belki po korekcie pokazujący profil bliższy profilowi cylindra. (f) Odpowiedni profil linii przekroju poprzecznego czerwonej linii w e). (g) Profil oświetlenia dwóch skorygowanych wzorów. Wzorce będą modulowane z tą samą częstotliwością i amplitudą, ale z przeciwstawnymi fazami, tworząc strefę destrukcyjnych zakłóceń pomiędzy wzorcami. h) odpowiedni profil linii przekroju poprzecznego czerwonej linii w g). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 7: Przygotowanie próbki. a) Fotografia powierzchni próbki przedstawiającej blok stali konstrukcyjnej St37 powlekanej na czarno (20 mm x 0,5 mm x 15 mm). (b) Przezroczysty rysunek CAD wad podpowierzchniowych. Ubytki znajdują się 40 mm od prawej strony. (c) Zdjęcia próbek w widoku z boku pokazujące wyidealizowane defekty na różnych głębokościach pod powierzchnią (strona 1 = 0,25 mm, strona 2 = 0,5 mm, strona 3 = 0,7 mm, strona 4 = 1,25 mm). Boki próbki są niepowlekane w celu zmniejszenia strat ciepła. Druga próbka (nie pokazana) ma swoje wady podpowierzchniowe na: strona 1 = 1 mm, strona 2 = 1,5 mm, strona 3 = 1,75 mm, strona 4 = 2 mm. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 8: Zrzuty ekranu oprogramowania sterującego kamerą na podczerwień. Kroki od i.1 do i.5 pokazują, jak skonfigurować kamerę na podczerwień do zbierania danych. (a) Zrzut ekranu panelu "Kamera": kamerę na podczerwień można podłączyć do komputera sterującego kamerą na podczerwień za pomocą przycisku "Połącz". Z tego miejsca można uzyskać dostęp do panelu sterowania "Zdalnego" (b) i panelu akwizycji (d i e). Ponadto pomiar można rozpocząć za pomocą przycisku "Record". (b) Zrzut ekranu panelu "Akwizycja": kamera na podczerwień musi być skonfigurowana za pomocą "Ext/Sync", aby uchwycić klatkę, jeśli otrzyma wyzwalacz 5 V TTL. (c) Zrzut ekranu panelu "Pomiar": zakres wyświetlania danych można dostosować za pomocą przycisku "Wybór". Narzędzia Punkt i Linia służą do kalibracji obrazu z kamery na podczerwień do współrzędnych rzeczywistych. (d) Zrzut ekranu panelu "Kalibracje" pilota kamery na podczerwień. Aby uzyskać wysoką czułość, należy wybrać mały zakres pomiarowy (od -10 do 60 °C). (e) Zdalny panel sterowania kamerą na podczerwień: "Process-IO", "IN1" i "IN2" muszą być włączone, aby wyzwolić kamerę na podczerwień. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 9: Zrzuty ekranu oprogramowania sterującego LPPT. Przepływ pracy dla interakcji użytkownika z oprogramowaniem jest oznaczony jako kroki od i.1 do i.14. (a) Zrzut ekranu głównego panelu LPPT; "Activated?" jest typem logicznym i aktywuje stół montażowy, jeśli ma wartość true. "Start-" i "EndPosition" to parametry przesuwu stolika w mm. Pole "Prędkość" jest zdefiniowane w mm/s. Przycisk "Rozpocznij pomiar" rozpoczyna pomiary, otwiera okno dialogowe pokazane w panelu (b) i zatrzymuje pomiar, jeśli jest fałszywy. b) Zrzut ekranu przedstawiający interfejs użytkownika wykorzystany do stworzenia wzorów rzutowanych na próbkę. Kolor jest wybierany tak, aby reprezentował obszar pikseli. Obszar jest wybierany przez narysowanie prostokątów do obrazu. Jeśli zostanie naciśnięty przycisk "zdefiniuj obszar", pojawi się panel pokazany w panelu (c) w celu zdefiniowania właściwości obszaru. Po zdefiniowaniu wszystkich obszarów, przycisk "oblicz ramki" obliczy zestaw obrazów. "Wczytaj korekcję" spowoduje wyświetlenie okna dialogowego, w którym można wczytać obraz korekcyjny, aby uniknąć niejednorodnego profilu belki. Przycisk "Start" rozpocznie pomiar. (c) Zrzut ekranu interfejsu użytkownika używanego do ustawiania właściwości jednego wzorca. Górna ramka pokazuje typ sygnału (fala sinusoidalna), przesunięcie fazowe w stopniach i częstotliwość w Hz. Dolna ramka pokazuje klatki na okres, amplitudę od 1 do 127 i napięcie lasera (0 V do 10 V = 0 W do 500 W). Klatki na okres to wartość reprezentująca, jak dokładnie kropka jest dyskretna. Po naciśnięciu przycisku "Dalej" (dalej) pojawia się okno dialogowe z pytaniem o liczbę klatek na sekundę kamery w Hz i szybkość przełączania klatek w Hz. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 10: Zrzuty ekranu oprogramowania do przetwarzania końcowego LPPT. (a) Załaduj i przekształć natywny format danych kamery na podczerwień. (b) Przekształć macierz ramek w układ współrzędnych projektora, używając punktów transformacji P1x do P4y. (c) L1x do L2y reprezentują współrzędne pikseli ocenianej linii. "v", "xStart", "FrameRate" i "Frequency" są parametrami eksperymentalnymi. "v" to prędkość w mm/s, "xStart" to pozycja początkowa stolika w mm, "FrameRate" i "Frequency" są podane w Hz. "Fit Degree", "Smoothing" i "Hilbert" są parametrami oceny. Stopień dopasowania reprezentuje stopień dopasowania wielomianu, "Wygładzenie" reprezentuje liczbę elementów filtra średniej ruchomej używanego do redukcji szumu, a parametr "Hilbert" służy do ustawiania poziomu wygładzenia w celu znalezienia minimum krzywej. (d) Zrzut ekranu przedstawiający wynik pokazujący pozycję pęknięcia jako pionową linię przerywaną. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

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