Localização de Defeitos Subsuperficiais por Aquecimento Estruturado usando a Termografia Fototérmica Projetada a Laser

O objetivo geral deste método é utilizar aquecimento estruturado e imageamento térmico de alta resolução de maneira não destrutiva e sem contato para localizar defeitos subsuperficiais orientados perpendicularmente à superfície de uma amostra de aço. Este método pode ajudar a responder perguntas fundamentais na área de imageamento térmico. Por exemplo, quão pequeno e quão profundo um defeito pode estar para ainda ser detectado.

A principal vantagem desta técnica é que podemos gerar campos de ondas térmicas que se propagam no plano de observação, tornando a abordagem altamente sensível a defeitos orientados perpendicularmente. Este sistema de termografia fototérmica com projeção a laser é montado sobre uma placa de montagem em bancada. Este sistema já passou pela maioria das etapas preparatórias necessárias para uso em um experimento.

No início do trajeto do feixe está a fonte a laser. Esta fibra a laser é sustentada por um suporte para fibra a laser. Em seguida, um telescópio reduz o diâmetro do feixe a laser a um tamanho apropriado para etapas posteriores na linha do feixe.

Atrás do divisor de feixe, uma cabeça de medidor de potência de 500 watts absorve grande parte da energia do feixe, permitindo que o laser opere em potência máxima. A partir do divisor de feixe, o feixe continua, por meio de um espelho, até um kit de desenvolvimento de projetor. Este é um projetor comercial desmontado, com seu motor de luz e lentes removidos.

Para o experimento, colime o feixe para que entre no projetor. Após passar pelo projetor, o feixe encontrará a amostra, que será montada em uma fase de translação controlada por computador. Para concluir esta configuração, obtenha uma lente com distância focal de 100 milímetros para o projetor.

Conecte a lente ao objetivo do projetor logo antes do estágio de translação. Em seguida, utilize uma lanterna de LED como fonte de luz de entrada para o projetor. Posicione uma folha de papel branca diante do objetivo e mova-a até que haja um retângulo iluminado nítido na folha, indicando a posição do plano da imagem.

Neste momento, obtenha uma amostra para uso no experimento. Monte a amostra no trajeto do feixe sobre a plataforma de translação linear equipada com um suporte ajustável. Eleve a amostra com o suporte ajustável até que seu topo esteja alinhado com o topo do retângulo projetado.

Certifique-se de que um defeito esteja dentro da área iluminada no plano da imagem. Em seguida, prepare-se para realizar a fotografia no infravermelho obtendo primeiro um espelho dourado montado em um suporte. O espelho refletirá o feixe disperso para a câmera.

Monte o espelho em um suporte próximo ao projetor. Ele deve refletir a borda superior da amostra e ser posicionado em um ângulo que permita visualizar a maior parte possível da superfície da amostra. A luz refletida pelo espelho entrará em uma câmera de infravermelho montada em um tripé.

Posicione-o na altura da objetiva do projetor para que ele veja a imagem branca projetada por meio do espelho dourado. Configure a câmera para ser controlada pelo computador e deixe-a aquecer. Após conectar a câmera ao seu software de controle, obtenha uma régua de aço.

Segure a régua na superfície da amostra e foque manualmente a câmera nela. O contraste de temperatura com a régua de aço auxilia no foco. Trabalhe para obter a imagem mais nítida possível.

Um dos passos mais críticos é obter uma resolução lateral suficiente na superfície da amostra. Isso é importante porque a linha de esgotamento deve ser resolvida. Use o software do laser para ajustar a tensão do laser em 10 volts e inicie o laser.

Trabalhe com o software da câmera para estabelecer a relação entre o projetor e a câmera. Selecione Medir nas opções ao longo da parte superior. Vá até a barra de ferramentas Áreas de Medição e escolha a opção de ferramenta em cruz.

Quando o laser estiver ligado, haverá uma imagem térmica. Use a ferramenta para marcar os cantos da imagem clicando com o botão esquerdo no quadro e, em seguida, anote as coordenadas. O software de controle da câmera deve ser configurado para o experimento.

Inicie alternando para o painel Câmera. Lá, clique no botão Remoto para abrir o painel de controle remoto. Em seguida, no menu suspenso, escolha a opção Process-IO.

Além disso, clique na opção Sync In e na opção Gate. Após isso, feche o menu. Na guia de parâmetros de aquisição, abra o menu de Aquisição.

Escolha Sincronização Externa no menu suspenso. Forneça os nomes de arquivo e pasta no campo Pasta. Em seguida, vá para o campo Contagem e insira o número previamente calculado de quadros e feche o menu Aquisição.

Inicie a aquisição de dados da câmera escolhendo Gravar. Neste momento, mude para o software de controle do experimento. Clique em Ativar para ativar o controlador de movimento.

Em seguida, edite as posições inicial e final em milímetros para incluir o defeito na varredura. Depois, insira a velocidade em milímetros por segundo. Clique em Iniciar Medição.

Clique com o botão esquerdo no campo Escolher Cor da Área. Na caixa de diálogo de cores, selecione uma cor para a área do padrão. Vá para a barra de desenho e escolha a ferramenta retângulo.

Mova-se para a área da imagem e use a ferramenta para criar um retângulo compatível com o domínio de pixels do projetor encontrado anteriormente. Prossiga clicando em definir Área. A caixa de diálogo permite ajustar as propriedades do padrão projetado.

No menu suspenso Tipo de Sinal, escolha Onda Senoidal. Para definir a onda senoidal, configure o campo Deslocamento de Fase em zero graus. Além disso, defina a Frequência em hertz.

Defina a Amplitude para o valor máximo. Em seguida, vá até o campo Tensão para inserir a tensão do laser em unidades de volts. No campo Imagens por período, insira um valor previamente calculado.

Clique em Avançar. Siga etapas análogas para criar um segundo retângulo de uma cor diferente em fase defasada em 180 graus. Visualize a sequência de imagens utilizando-as em uma barra de visualização prévia.

Em seguida, pressione Iniciar para começar o experimento. A fase de translação move lentamente a amostra pela faixa escolhida, expondo diferentes regiões à iluminação estruturada oscilante projetada. O tempo total de trânsito para este experimento é de 200 segundos.

À medida que a amostra se move, a câmera infravermelha térmica adquire imagens térmicas a 40 hertz. Essa sequência de imagens térmicas fornece um exemplo dos campos de onda térmica gerados pela iluminação. Interrompa o experimento quando todos os quadros tiverem sido adquiridos.

Para realizar o pós-processamento necessário, carregue os quadros de dados no software de pós-processamento. Após a conversão dos dados, insira as coordenadas dos pontos de projeção previamente encontrados. Clique em Transformar para colocar os dados no domínio de pixels do projetor.

Para extrair informações de temperatura, defina a linha de depleção inserindo as coordenadas de dois pontos. Insira os parâmetros de velocidade na posição inicial da amostra durante o experimento. Também insira a Taxa de Quadros da câmera infravermelha e a Frequência da onda senoidal do padrão.

Por fim, certifique-se de que os parâmetros de pós-processamento dos dados estão corretos. Quando estiver pronto, clique em Avaliar. A posição da trinca é mostrada no campo destacado.

Esses dados foram coletados a partir de uma amostra de teste com um defeito a uma profundidade aproximada de 1/4 de milímetro. A amostra foi deslocada a 0,05 milímetros por segundo. A curva preta representa a temperatura como uma função do tempo, que está no eixo horizontal superior.

O tempo também pode ser traduzido em uma posição ao longo do eixo inferior. A curva vermelha contínua representa um ajuste ao aumento não oscilatório da temperatura. A linha vermelha tracejada indica a posição do defeito.

Aqui estão os mesmos dados após um processamento adicional. A curva azul é a curva de Hilbert e o defeito está em seu valor mínimo. Esses dados foram coletados após dobrar a velocidade de varredura para 0,1 milímetros por segundo.

Em comparação com a primeira medição, a elongação é a mesma, mas a frequência de oscilação é reduzida. Observe que a amostra foi movida para uma nova posição, o que se reflete nas medições. Quando o protocolo é utilizado com um defeito localizado um milímetro abaixo da superfície, sua posição ainda pode ser determinada, mas com maior incerteza. Ambos os gráficos utilizam dados coletados com uma velocidade de varredura de 0,1 milímetro por segundo.

Após seu desenvolvimento, a técnica abriu caminho para pesquisadores na área de ensaio não destrutivo explorarem o uso de iluminação estruturada. Após este procedimento, outros padrões de iluminação, mais complexos, podem ser utilizados para identificar outros tipos de defeitos. Até o momento, apenas o aço foi testado, mas o método é muito promissor, especialmente para plásticos, materiais compostos e outros materiais muito sensíveis, devido ao baixo estresse térmico aplicado.

O gargalo da configuração experimental atual é o limite de estresse térmico do modulador espacial de luz. Por isso, precisamos prestar atenção ao tempo de medição, que não deve ultrapassar dois a três minutos. Até agora, apenas duas fontes térmicas integrais foram geradas.

Mas, em princípio, utilizando esta configuração, é possível gerar e controlar até um milhão de fontes de calor, o que abre um novo campo de modelagem arbitrária de ondas normais. Após assistir a este vídeo, você deverá ter uma boa compreensão de como localizar defeitos subsuperficiais utilizando termografia fototérmica com projeção a laser. Não se esqueça de que trabalhar com um laser infravermelho de alta potência da classe quatro pode ser extremamente perigoso e que precauções, como o uso de óculos de proteção contra laser, devem sempre ser tomadas.