Lokalizacja defektów podpowierzchniowych poprzez ogrzewanie strukturalne za pomocą laserowej termografii fototermicznej

Ogólnym celem tej metody jest wykorzystanie ogrzewania strukturalnego i obrazowania termicznego o wysokiej rozdzielczości w sposób nieniszczący i bezkontaktowy do zlokalizowania defektów podpowierzchniowych zorientowanych prostopadle do powierzchni próbki stali. Ta metoda może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie termowizji. Na przykład, jak mała i jak głęboka może być wada, aby można ją było wykryć.

Główną zaletą tej techniki jest to, że możemy generować pola fal termicznych, które rozchodzą się w płaszczyźnie obserwacji, co sprawia, że podejście jest bardzo czułe na defekty zorientowane prostopadle. Ten laserowo projektowany fototermiczny system termograficzny jest umieszczony na płytce stykowej stołu. System ten przeszedł większość etapów przygotowawczych wymaganych do użycia w eksperymencie.

Na początku ścieżki wiązki znajduje się źródło lasera. To światłowód laserowy jest obsługiwany przez mocowanie światłowodu laserowego. Następnie teleskop zmniejsza średnicę wiązki lasera do odpowiedniego rozmiaru na późniejszą linię wiązki.

Za samplerem wiązki znajduje się głowica miernika mocy o mocy 500 W, która pochłania większość energii wiązki, aby laser mógł działać z pełną mocą. Z próbnika wiązki wiązka jest kontynuowana przez lustro do zestawu rozwojowego projektora. Jest to zdemontowany projektor komercyjny z usuniętym silnikiem światła i soczewkami.

Na potrzeby eksperymentu skolimuj wiązkę, aby weszła do projektora. Po przejściu przez projektor wiązka napotka próbkę, która zostanie zamontowana na stoliku translacyjnym sterowania komputerowego. Aby zakończyć tę konfigurację, zaopatrz się w obiektyw o ogniskowej 100 milimetrów do projektora.

Przymocuj obiektyw do obiektywu projektora tuż przed etapem tłumaczenia. Następnie użyj latarki LED jako wejściowego źródła światła do projektora. Umieść białą kartkę papieru przed obiektywem i przesuwaj ją, aż na arkuszu pojawi się ostry, podświetlany prostokąt wskazujący położenie płaszczyzny obrazu.

W tym momencie należy pobrać próbkę do wykorzystania w eksperymencie. Zamontuj próbkę na ścieżce wiązki na stoliku do translacji liniowej wyposażonym w podnośnik laboratoryjny. Podnieś próbkę za pomocą podnośnika laboratoryjnego tak, aby jej górna część znajdowała się w jednej linii z górną częścią rzutowanego prostokąta.

Upewnij się, że wada znajduje się w oświetlonym obszarze na płaszczyźnie obrazu. Następnie umów się na fotografię w podczerwieni, najpierw uzyskując złote lustro na słupku. Lustro odbije rozproszoną wiązkę do kamery.

Zamontuj lustro na uchwycie słupka w pobliżu projektora. Powinien on odbijać górną krawędź próbki i być ustawiony pod kątem, aby zobaczyć jak największą powierzchnię próbki. Światło odbite od lustra wpadnie do kamery na podczerwień, która jest zamontowana na statywie.

Ustaw go na wysokości obiektywu projektora, tak aby widział wyświetlany biały obraz przez złote lustro. Ustaw kamerę tak, aby była sterowana przez komputer i pozwól jej się rozgrzać. Po podłączeniu kamery do jej oprogramowania sterującego należy zaopatrzyć się w stalową linijkę.

Przytrzymaj linijkę na powierzchni próbki i ręcznie ustaw na niej ostrość aparatu. Kontrast temperatury ze stalową linijką pomaga w ustawianiu ostrości. Pracuj, aby uzyskać najostrzejszy obraz.

Jednym z najbardziej krytycznych etapów jest osiągnięcie wystarczającej rozdzielczości bocznej na powierzchni próbki. Jest to ważne, ponieważ linia wyczerpania musi zostać rozwiązana. Użyj oprogramowania lasera, aby ustawić napięcie lasera na 10 woltów i uruchomić laser.

Pracuj z oprogramowaniem kamery, aby ustalić relację między projektorem a kamerą. Wybierz pozycję Zmierz z opcji u góry. Przejdź do paska narzędzi Zmierz obszary i wybierz opcję narzędzia krzyżowego.

Gdy laser jest włączony, pojawi się obraz termowizyjny. Użyj narzędzia, aby zaznaczyć rogi obrazu, klikając lewym przyciskiem myszy ramkę, a następnie zanotuj współrzędne. Oprogramowanie sterujące kamerą musi być skonfigurowane do eksperymentu.

Zacznij od przełączenia się do panelu Kamera. Tam kliknij przycisk Zdalne, aby otworzyć panel zdalnego sterowania. Tam z menu rozwijanego wybierz opcję Process-IO.

Przejdź także do kliknięcia opcji Synchronizuj w i opcji Brama. Następnie zamknij menu. Na karcie Parametry przejęć otwórz menu Nabycie.

Wybierz opcję Synchronizacja zewnętrzna z menu rozwijanego. Podaj nazwy plików i folderów w polu Folder. Następnie należy przejść do pola Count i wprowadzić wcześniej obliczoną liczbę ramek oraz zamknąć menu Extraction.

Rozpocznij pobieranie danych z kamery, wybierając opcję Nagraj. W tym momencie przejdź do oprogramowania sterującego eksperymentem. Kliknij Aktywuj, aby aktywować kontroler ruchu.

Następnie edytuj pozycje początkową i końcową w milimetrach, aby uwzględnić defekt w skanowaniu. Następnie wprowadź prędkość w milimetrach na sekundę. Kliknij Rozpocznij pomiar.

Kliknij lewym przyciskiem myszy pole Wybierz kolor obszaru. W oknie dialogowym kolorów wybierz kolor dla obszaru wzoru. Przejdź do paska narzędzi rysowania i wybierz narzędzie prostokątne.

Przejdź do obszaru obrazu i użyj narzędzia, aby utworzyć prostokąt zgodny z poprzednio znalezioną domeną pikseli projektora. Kontynuuj, klikając przycisk Zdefiniuj obszar. Okno dialogowe umożliwia ustawienie właściwości rzutowanego wzoru.

Z menu rozwijanego Signal Type (Typ sygnału) wybierz opcję Sinus Wave (Fala sinusoidalna). Aby zdefiniować falę sinusoidalną, należy ustawić pole Przesunięcie fazowe na zero stopni. Dodatkowo ustaw częstotliwość w hercach.

Ustaw amplitudę na maksimum. Następnie przejdź do pola Napięcie, aby wprowadzić napięcie lasera w jednostkach woltów. W polu Zdjęcia w okresie wprowadź wcześniej obliczoną wartość.

Kliknij Dalej. Wykonaj analogiczne kroki, aby utworzyć drugi prostokąt o innym kolorze z przesunięciem fazowym o 180 stopni. Wyświetl podgląd sekwencji obrazów, używając ich w suwaku podglądu.

Następnie naciśnij przycisk Start, aby rozpocząć eksperyment. Etap translacji powoli przesuwa próbkę przez wybrany zakres, aby wystawić różne obszary na projekcję oscylacyjnego oświetlenia strukturalnego. Całkowity czas przejścia dla tego eksperymentu wynosi 200 sekund.

Gdy próbka się porusza, kamera termowizyjna na podczerwień rejestruje obrazy termowizyjne z częstotliwością 40 Hz. Ta sekwencja obrazów termicznych stanowi przykład pól fal termicznych generowanych przez oświetlenie. Przerwij eksperyment, gdy wszystkie klatki zostaną pobrane.

Aby wykonać niezbędne przetwarzanie końcowe, załaduj ramki danych do oprogramowania do przetwarzania końcowego. Po przekonwertowaniu danych wstaw poprzednio znalezione współrzędne punktu odwzorowania. Kliknij przycisk Przekształć, aby umieścić dane w domenie pikseli projektora.

Aby wyodrębnić informacje o temperaturze, zdefiniuj linię zubożenia, wprowadzając współrzędne dwóch punktów. Wprowadź parametry prędkości w pozycji początkowej próbki podczas eksperymentu. Wprowadź również liczbę klatek na sekundę kamery termowizyjnej i częstotliwość fali sinusoidalnej wzorca.

Na koniec upewnij się, że parametry przetwarzania końcowego danych są poprawne. Gdy wszystko będzie gotowe, kliknij przycisk Oceń. Pozycja pęknięcia jest pokazana w podświetlonym polu.

Dane te zostały zebrane z próbki testowej z wadą na przybliżonej głębokości 1/4 milimetra. Próbka została przesunięta z prędkością 0,05 milimetra na sekundę. krzywa reprezentuje temperaturę w funkcji czasu, który znajduje się wzdłuż górnej osi poziomej.

Czas można również przetłumaczyć na pozycję, która znajduje się wzdłuż dolnej osi. Ciągła czerwona krzywa jest dopasowana do nieoscylacyjnego wzrostu temperatury. Czerwona linia przerywana wskazuje położenie wady.

Oto te same dane po dodatkowym przetwarzaniu końcowym. Niebieska krzywa to krzywa Hilberta, a wada jest minimalna. Dane te zostały zebrane po podwojeniu prędkości skanowania do 0,1 milimetra na sekundę.

W porównaniu z pierwszym pomiarem wydłużenie jest takie samo, ale częstotliwość oscylacji jest zmniejszona. Należy zauważyć, że próbka została przeniesiona do nowej pozycji, co znajduje odzwierciedlenie w pomiarach Gdy protokół jest używany w przypadku wady znajdującej się jeden milimetr pod powierzchnią, jej lokalizację można nadal określić, ale z większą niepewnością. Oba te wykresy wykorzystują dane zebrane z prędkością skanowania 0,1 milimetra na sekundę.

Po jej opracowaniu technika ta utorowała drogę naukowcom zajmującym się badaniami nieniszczącymi do zbadania możliwości wykorzystania oświetlenia strukturalnego. Po tej procedurze można zastosować inne, bardziej złożone wzory oświetlenia w celu znalezienia innych typów defektów. Do tej pory testowano tylko stal, ale metoda jest bardzo obiecująca, szczególnie w przypadku tworzyw sztucznych, materiałów złożonych i innych bardzo wrażliwych materiałów ze względu na niskie naprężenia termiczne, które są stosowane.

Wąskim gardłem obecnego układu eksperymentalnego jest granica naprężeń termicznych przestrzennego modulatora światła. Dlatego musimy zwrócić uwagę na czas pomiaru, który nie powinien przekraczać dwóch do trzech minut. Do tej pory wytwarzane były tylko dwa integralne źródła ciepła.

Ale w zasadzie przy użyciu tej konfiguracji możliwe jest generowanie i kontrolowanie do miliona źródeł ciepła, co otwiera kolejne pole do arbitralnego kształtowania fal normalnych. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak lokalizować defekty podpowierzchniowe za pomocą laserowej termografii fototermicznej. Nie zapominaj, że praca z laserem na podczerwień o dużej mocy klasy czwartej może być niezwykle niebezpieczna i że zawsze należy podejmować środki ostrożności, takie jak noszenie okularów chroniących przed laserem.