Lokalizacja defektów podpowierzchniowych poprzez ogrzewanie strukturalne za pomocą laserowej termografii fototermicznej

Ogólnym celem tej metody jest wykorzystanie ustrukturyzowanego ogrzewania oraz obrazowania termicznego o wysokiej rozdzielczości w sposób nieniszczący i bezkontaktowy, aby zlokalizować defekty podpowierzchniowe zorientowane prostopadle do powierzchni próbki stalowej. Metoda ta może pomóc w odpowiedzi na kluczowe pytania w dziedzinie obrazowania termicznego, na przykład: jak mały i jak głęboki może być defekt, aby mógł zostać wykryty.

Główną zaletą tej techniki jest możliwość generowania pól fal termicznych rozprzestrzeniających się w płaszczyźnie obserwacji, co sprawia, że podejście to jest wysoce czułe na defekty zorientowane prostopadle. Ten system fototermografii z projekcją laserową został zamontowany na stole optycznym. System ten przeszedł większość etapów przygotowawczych niezbędnych do przeprowadzenia eksperymentu.

Na początku drogi wiązki znajduje się źródło laserowe. Włókno laserowe jest utrzymywane przez uchwyt włókna laserowego. Następnie teleskop zmniejsza średnicę wiązki lasera do rozmiaru odpowiedniego dla dalszych etapów toru wiązki.

Za próbownikiem wiązki głowica miernika mocy 500 W pochłania znaczną część energii wiązki, aby umożliwić pracę lasera z pełną mocą. Z próbownika wiązki wiązka przechodzi za pomocą lustra do zestawu rozwojowego projektora. Jest to rozmontowany komercyjny projektor, z którego usunięto silnik optyczny oraz soczewki.

W celu przeprowadzenia eksperymentu należy skolimować wiązkę tak, aby weszła do projektora. Po przejściu przez projektor wiązka trafi na próbkę, która zostanie zamocowana na sterowanym komputerowo stole translacyjnym. Aby dokończyć konfigurację układu, należy dobrać soczewkę o ogniskowej 100 mm do projektora.

Przymocuj soczewkę do obiektywu projektora tuż przed stolikiem translacyjnym. Następnie użyj latarki LED jako źródła światła wejściowego do projektora. Umieść białą kartkę papieru przed obiektywem i przesuwaj ją, aż na kartce pojawi się ostry, oświetlony prostokąt wskazujący położenie płaszczyzny obrazu.

W tym momencie należy przygotować próbkę do wykorzystania w eksperymencie. Zamocuj próbkę na drodze wiązki na liniowej platformie translacyjnej wyposażonej w podnośnik laboratoryjny. Podnieś próbkę za pomocą podnośnika laboratoryjnego tak, aby jej górna krawędź znajdowała się na wysokości górnej krawędzi rzutowanego prostokąta.

Upewnij się, że defekt znajduje się wewnątrz oświetlonego obszaru w płaszczyźnie obrazu. Następnie przygotuj układ do fotografii w podczerwieni, montując najpierw złote lustro na wsporniku. Lustro odbije rozproszoną wiązkę do kamery.

Zamocuj lustro w uchwycie na słupku w pobliżu projektora. Powinno ono odbijać górną krawędź próbki i być ustawione pod takim kątem, aby widzieć jak największą powierzchnię próbki. Światło odbite od lustra zostanie skierowane do kamery podczerwieni zamontowanej na statywie.

Ustaw go na wysokości obiektywu projektora w taki sposób, aby widział on rzutowany biały obraz poprzez złote lustro. Skonfiguruj kamerę tak, aby była sterowana przez komputer, i pozwól jej się rozgrzać. Po podłączeniu kamery do oprogramowania sterującego przygotuj stalową linijkę.

Przytrzymaj linijkę przy powierzchni próbki i ręcznie ustaw ostrość kamery. Kontrast temperatury względem stalowej linijki ułatwia ustawianie ostrości. Dąż do uzyskania najostrzejszego obrazu.

Jednym z najbardziej krytycznych etapów jest uzyskanie wystarczającej rozdzielczości bocznej na powierzchni próbki. Jest to istotne, ponieważ linia wygaszenia musi zostać rozdzielona. Użyj oprogramowania sterującego laserem, aby ustawić napięcie lasera na 10 voltów i uruchom laser.

Użyj oprogramowania kamery, aby określić relację między projektorem a kamerą. Z opcji znajdujących się u góry wybierz Measure. Przejdź do paska narzędzi Measure areas i wybierz opcję narzędzia krzyża.

Gdy laser jest włączony, pojawi się obraz termiczny. Użyj narzędzia, aby zaznaczyć narożniki obrazu, klikając lewym przyciskiem myszy na ramkę, a następnie zapisz współrzędne. Oprogramowanie do sterowania kamerą musi zostać skonfigurowane pod kątem eksperymentu.

Zacznij od przełączenia się na panel Kamery. Następnie kliknij przycisk Remote, aby otworzyć panel zdalnego sterowania. W menu rozwijanym wybierz opcję Process-IO.

Następnie należy kliknąć opcję Sync In oraz opcję Gate. Po wykonaniu tej czynności zamknij menu. W zakładce parametrów Acquisitions otwórz menu Acquisition.

Wybierz opcję External Sync z menu rozwijanego. Podaj nazwy plików i folderów w polu Folder. Następnie przejdź do pola Count, wprowadź wcześniej obliczoną liczbę klatek i zamknij menu Acquisition.

Rozpocznij akwizycję danych z kamery, wybierając Record. W tym momencie przejdź do oprogramowania sterującego eksperymentem. Kliknij Activate, aby aktywować kontroler ruchu.

Następnie zmień pozycje początkową i końcową w milimetrach, aby włączyć wadę do skanowania. Po tym wprowadź prędkość w milimetrach na sekundę. Kliknij Start Measurement.

Kliknij lewym przyciskiem myszy w pole Wybierz kolor obszaru (Choose Area Color). W dialogu kolorów wybierz kolor dla obszaru wzoru. Przejdź do paska narzędzi rysowania i wybierz narzędzie prostokąta.

Przejdź do obszaru obrazu i użyj narzędzia, aby stworzyć prostokąt zgodny z wcześniej wyznaczoną domeną pikseli projektora. Następnie kliknij define Area. W oknie dialogowym można ustawić właściwości rzutowanego wzoru.

W rozwijanym menu Typ sygnału (Signal Type) wybierz Sinusoidalny (Sine Wave). Aby zdefiniować falę sinusoidalną, ustaw pole Przesunięcie fazy (Phase Shift) na zero stopni. Dodatkowo ustaw Częstotliwość w hercach.

Ustaw amplitudę na wartość maksymalną. Następnie przejdź do pola Voltage, aby wprowadzić napięcie lasera w woltach. W polu Pictures per period wprowadź wcześniej obliczoną wartość.

Kliknij Dalej. Wykonaj analogiczne kroki, aby utworzyć drugi prostokąt w innym kolorze z przesunięciem fazy o 180 stopni. Przejrzyj sekwencję obrazów, wykorzystując je w suwaku podglądu.

Następnie naciśnij Start, aby rozpocząć eksperyment. Stolik translacyjny powoli przesuwa próbkę w wybranym zakresie, aby poddać różne obszary działaniu rzutowanego oscylującego oświetlenia strukturalnego. Całkowity czas przejścia w tym eksperymencie wynosi 200 sekund.

W miarę przemieszczania się próbki kamera termowizyjna rejestruje obrazy termiczne z częstotliwością 40 hertz. Ta sekwencja obrazów termicznych stanowi przykład pól fal termicznych generowanych przez oświetlenie. Przerwij eksperyment, gdy wszystkie klatki zostaną zarejestrowane.

Aby przeprowadzić niezbędną postprocesję, załaduj ramki danych w oprogramowaniu do postprocesji. Po konwersji danych wprowadź wcześniej wyznaczone współrzędne punktu projekcji. Kliknij Transform, aby przenieść dane do domeny pikseli projektora.

Aby wyodrębnić informacje o temperaturze, zdefiniuj linię ubytku, wprowadzając współrzędne dwóch punktów. Wprowadź parametry prędkości próbki w pozycji początkowej podczas eksperymentu. Wprowadź również wartość FrameRate kamery podczerwieni oraz Frequency fali sinusoidalnej wzorca.

Na koniec upewnij się, że parametry postprocesowania danych są prawidłowe. Po przygotowaniu kliknij Evaluate. Położenie pęknięcia jest wyświetlane w podświetlonym polu.

Dane te zostały zebrane z próbki testowej z defektem na głębokości około 1/4 milimetra. Próbkę przesuwano z prędkością 0,05 milimetra na sekundę. Czarna krzywa przedstawia temperaturę jako funkcję czasu, który znajduje się na górnej osi poziomej.

Czas można również przełożyć na pozycję wzdłuż osi dolnej. Ciągła czerwona krzywa stanowi dopasowanie do nieoscylacyjnego wzrostu temperatury. Przerywana czerwona linia wskazuje położenie defektu.

Oto te same dane po dodatkowym przetwarzaniu wstępnym. Niebieska krzywa to krzywa Hilberta, a defekt znajduje się w jej minimum. Dane te zostały zebrane po dwukrotnym zwiększeniu prędkości skanowania do 0,1 mm/s.

W porównaniu z pierwszym pomiarem wydłużenie jest takie samo, ale częstotliwość oscylacji jest zredukowana. Należy zauważyć, że próbka została przeniesiona w nową pozycję, co odzwierciedlają pomiary. Gdy protokół jest stosowany w przypadku defektu znajdującego się jeden milimetr poniżej powierzchni, jego lokalizacja nadal może zostać określona, lecz z większą niepewnością. Oba wykresy wykorzystują dane zebrane przy prędkości skanowania 0,1 milimetra na sekundę.

Po opracowaniu technika ta utorowała drogę badaczom z zakresu badań nieniszczących do zgłębienia możliwości wykorzystania oświetlenia strukturalnego. Zgodnie z tą procedurą można zastosować inne, bardziej złożone wzory oświetlenia w celu wykrycia innych rodzajów defektów. Do tej pory testowano jedynie stal, jednak metoda ta jest bardzo obiecująca, szczególnie w przypadku tworzyw sztucznych, materiałów kompozytowych oraz innych materiałów bardzo wrażliwych, ze względu na niski poziom przyłożonego naprężenia termicznego.

Wąskim gardłem obecnego układu eksperymentalnego jest limit naprężeń termicznych modulatora światła przestrzennego. Dlatego należy zwrócić uwagę na czas pomiaru, który nie powinien przekraczać dwóch do trzech minut. Do tej pory wygenerowano jedynie dwa całkowite źródła ciepła.

W zasadzie korzystając z tej konfiguracji możliwe jest generowanie i kontrolowanie do jednego miliona źródeł ciepła, co otwiera kolejną dziedzinę dowolnego kształtowania fal normalnych. Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo mieć dobre wyobrażenie o tym, jak lokalizować defekty podpowierzchniowe za pomocą termografii fototermicznej z projekcją laserową. Należy pamiętać, że praca z wysokomocnym laserem podczerwonym klasy czwartej może być niezwykle niebezpieczna i że zawsze należy przestrzegać środków ostrożności, takich jak noszenie okularów ochronnych do laserów.