Локализация дефектов при структурном нагреве с использованием лазерной прогнозируемой фототермической термографии

Общая цель данного метода заключается в использовании структурированного нагрева и термографии с высоким разрешением в неразрушающий и бесконтактный способ для обнаружения подповерхностных дефектов, ориентированных перпендикулярно поверхности стального образца. Данный метод позволяет ответить на ключевые вопросы в области тепловизионного контроля, например, какими должны быть минимальный размер и глубина залегания дефекта для того, чтобы его можно было обнаружить.

Основным преимуществом данного метода является возможность создания полей тепловых волн, распространяющихся в плоскости наблюдения, что делает этот подход высокочувствительным к перпендикулярно ориентированным дефектам. Данная система лазерно-проекционной фототермической термографии размещена на лабораторном оптическом столе. Система прошла большинство подготовительных этапов, необходимых для использования в эксперименте.

В начале траектории луча расположен источник лазерного излучения. Это лазерное волокно зафиксировано с помощью держателя лазерного волокна. Далее телескоп уменьшает диаметр лазерного луча до размера, подходящего для последующих этапов лучевой линии.

За пробоотборником луча установлена головка измерителя мощности мощностью 500 Вт, которая поглощает большую часть энергии луча, позволяя лазеру работать на полной мощности. От пробоотборника луча пучок направляется с помощью зеркала в комплект для разработки проектора. Данный комплект представляет собой разобранный коммерческий проектор, из которого удалены световой модуль и линзы.

Для проведения эксперимента сколлимируйте пучок так, чтобы он входил в проектор. После прохождения через проектор пучок попадет на образец, который будет закреплен на управляемом компьютером столике перемещений. Для завершения данной установки подберите для проектора линзу с фокусным расстоянием 100 millimeter.

Прикрепите линзу к объективу проектора непосредственно перед столиком перемещения. Затем используйте светодиодный фонарик в качестве источника входного света для проектора. Расположите белый лист бумаги перед объективом и перемещайте его до тех пор, пока на листе не появится четкий освещенный прямоугольник, указывающий положение плоскости изображения.

На данном этапе подготовьте образец для использования в эксперизмете. Установите образец на пути луча на линейном translational столе, оснащенном лабораторным домкратом. Поднимите образец с помощью домкрата так, чтобы его верхняя часть находилась на одном уровне с верхней границей проецируемого прямоугольника.

Убедитесь, что дефект находится в пределах освещенной области в плоскости изображения. Затем подготовьте оборудование для инфракрасной съемки, установив золотое зеркало на стойку. Зеркало будет отражать рассеянный пучок в сторону камеры.

Установите зеркало в держатель на штативе рядом с проектором. Оно должно отражать верхний край образца и быть наклонено таким образом, чтобы захватить максимально большую площадь поверхности образца. Свет, отраженный от зеркала, будет попадать в инфракрасную камеру, установленную на штативе.

Расположите его на уровне объектива проектора так, чтобы в золотое зеркало проецировалось белое изображение. Настройте управление камерой с помощью компьютера и дайте ей прогреться. После подключения камеры к управляющему программному обеспечению возьмите стальную линейку.

Приложите линейку к поверхности образца и вручную настройте фокус камеры. Температурный контраст по отношению к стальной линейке облегчает фокусировку. Добивайтесь максимальной резкости изображения.

Одним из наиболее критических этапов является достижение достаточного латерального разрешения на поверхности образца. Это важно, поскольку необходимо обеспечить разрешение линии истощения. Используя программное обеспечение лазера, установите напряжение лазера на 10 вольт и запустите лазер.

Используйте программное обеспечение камеры для настройки взаимосвязи между проектором и камерой. Выберите пункт Measure (Измерение) в меню в верхней части экрана. Перейдите на панель инструментов Measure areas (Области измерения) и выберите инструмент в виде перекрестия.

При включении лазера появится тепловое изображение. С помощью инструмента отметьте углы изображения, щелкнув левой кнопкой мыши по рамке, а затем запишите координаты. Программное обеспечение для управления камерой должно быть настроено для данного эксперимента.

Начните с перехода на панель Camera. Там нажмите кнопку Remote, чтобы открыть панель дистанционного управления. В выпадающем меню выберите опцию Process-IO.

Также перейдите к выбору опции Sync In и опции Gate. После этого закройте меню. На вкладке параметров Acquisitions откройте меню Acquisition.

Выберите External Sync в выпадающем меню. Укажите названия файла и папки в поле Folder. Затем перейдите к полю Count, введите ранее вычисленное количество кадров и закройте меню Acquisition.

Начните сбор данных с камеры, выбрав Record. После этого перейдите в программное обеспечение для управления экспериментом. Нажмите Activate, чтобы активировать контроллер перемещения.

Затем отредактируйте начальное и конечное положение в миллиметрах так, чтобы дефект попал в область сканирования. После этого введите скорость в миллиметрах в секунду. Нажмите «Начать измерение».

Щелкните левой кнопкой мыши по полю Choose Area Color. В диалоговом окне выбора цвета выберите цвет для области паттерна. Перейдите на панель инструментов рисования и выберите инструмент «прямоугольник».

Перейдите к области изображения и с помощью инструмента создайте прямоугольник, соответствующий ранее определенной пиксельной области проектора. Затем нажмите «define Area». В открывшемся диалоговом окне можно задать свойства проецируемого паттерна.

В раскрывающемся меню «Signal Type» (Тип сигнала) выберите «Sine Wave» (Синусоида). Чтобы определить синусоиду, установите значение в поле «Phase Shift» (Сдвиг фазы) на 0°. Кроме того, задайте значение «Frequency» (Частота) в герцах.

Установите значение Amplitude на максимум. Затем перейдите в поле Voltage, чтобы ввести напряжение лазера в вольтах. В поле Pictures per period введите предварительно рассчитанное значение.

Нажмите «Next». Выполните аналогичные действия, чтобы создать второй прямоугольник другого цвета со сдвигом фазы 180 градусов. Просмотрите последовательность изображений, используя их в слайдере предварительного просмотра.

Затем нажмите Start, чтобы начать эксперимент. Стол с трансляционным перемещением медленно перемещает образец в выбранном диапазоне, чтобы подвергнуть воздействию проецируемого осциллирующего структурированного освещения различные области. Общее время перемещения для данного эксперимента составляет 200 секунд.

По мере перемещения образца тепловизионная инфракрасная камера фиксирует тепловые изображения с частотой 40 Гц. Эта последовательность тепловых изображений представляет собой пример полей тепловых волн, генерируемых освещением. Остановите эксперимент после получения всех кадров.

Для выполнения необходимой постобработки загрузите кадры с данными в программное обеспечение для постобработки. После преобразования данных введите ранее определенные координаты точки проекции. Нажмите Transform, чтобы перенести данные в пиксельную область проектора.

Для извлечения информации о температуре определите линию истощения, введя координаты двух точек. Введите параметры скорости образца в начальном положении во время эксперимента. Также введите FrameRate инфракрасной камеры и Frequency синусоидальной волны паттерна.

Наконец, убедитесь, что параметры постобработки данных заданы верно. Когда всё будет готово, нажмите Evaluate. Положение трещины отображается в выделенном поле.

Эти данные были собраны из тестового образца с дефектом на глубине примерно 1/4 миллиметра. Образец перемещали со скоростью 0,05 миллиметра в секунду. Черная кривая представляет собой зависимость температуры от времени, которое отложено по верхней горизонтальной оси.

Время также может быть пересчитано в координату вдоль нижней оси. Сплошная красная кривая представляет собой аппроксимацию неосцилляторного повышения температуры. Пунктирная красная линия указывает положение дефекта.

Ниже представлены те же данные после дополнительной постобработки. Синяя кривая — это кривая Гильберта, и дефект находится в ее минимуме. Эти данные были собраны после увеличения скорости сканирования в два раза до 0.1 millimeters per second.

По сравнению с первым измерением, удлинение остается прежним, но частота колебаний снижается. Обратите внимание, что образец был перемещен в новую позицию, что отражено в измерениях. При использовании данного протокола для дефекта, расположенного на один миллиметр ниже поверхности, его местоположение все еще может быть определено, но с большей погрешностью. Оба этих графика основаны на данных, собранных при скорости сканирования 0.1 миллиметров в секунду.

После разработки эта методика открыла исследователям в области неразрушающего контроля возможность изучить использование структурированного освещения. Следуя данной процедуре, можно применять другие, более сложные схемы освещения для обнаружения иных типов дефектов. На данный момент тестировалась только сталь, однако метод является весьма перспективным, особенно для пластика, композиционных и других высокочувствительных материалов благодаря низкому уровню создаваемого термического напряжения.

Узким местом текущей экспериментальной установки является предел термического напряжения пространственного модулятора света. Именно поэтому необходимо контролировать время измерения, которое не должно превышать двух-трех минут. На данный момент были созданы только два интегральных источника тепла.

Однако в принципе, используя данную установку, можно генерировать и контролировать до одного миллиона источников тепла, что открывает возможности для произвольного формирования нормальных волн. После просмотра этого видео вы должны хорошо понимать, как обнаруживать подповерхностные дефекты с помощью фототермической термографии с лазерным проецированием. Не забывайте, что работа с мощным инфракрасным лазером четвертого класса может быть крайне опасной, и всегда следует соблюдать меры предосторожности, такие как использование защитных очков для лазера.