DE102012003813A1

DE102012003813A1 - Non-destructive and non-contact testing method for testing e.g. cracks in e.g. fiber material, involves producing heat wave with adjustable phase angle of inclination to interact wave with vertical or horizontal structures and defects

Info

Publication number: DE102012003813A1
Application number: DE201210003813
Authority: DE
Inventors: Helmut Prekel; Dennis Kruse; Gert Goch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-02-27
Filing date: 2012-02-27
Publication date: 2013-08-29

Abstract

The method involves producing heat wave with adjustable phase angle of inclination in a test specimen, so that the heat wave is optionally interacted with vertical or horizontal structures and defects. The detection of structures and defects is carried out at test surface through planar detection of heat wave by an infrared camera or thermal reflectance. The amplitude and phase measurement value relative to a pictorial conditioned reference signal is detected based on location-dependent temperature oscillations. The method involves changing the heat energy of a test surface by using time-modulated radiation energy, so that heat waves are generated in a test specimen. The excitation energy is applied by periodical stripes, such that the distance and speed of stripes are adjusted on the test surface. An independent claim is included for a non-destructive and non-contact testing device for testing surface defects in material.

Description

Stand der Technik:State of the art:

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zerstörungsfreie und berührungslose Prüfungen von Materialien unterschiedlichster Art durchführen zu können, wobei insbesondere Strukturen an deren Oberfläche bzw. im oberflächennahen Bereich (”Randzone”) zu detektieren sind. Hierzu gehören Defektstrukturen wie Risse und Einschlüsse sowie Strukturen, welche durch Herstellungsprozesse bewusst in die Materialien eingebracht wurden (z. B. Fasern) oder durch einen natürlichen (z. B. biologischen oder geologischen) Prozess entstanden sind (Beispiel: Gewebestrukturen, Inhomogenitäten/Anisotropien in Gesteinen). Ein besonderes Augenmerk liegt darauf, nicht nur horizontale Strukturen wie Schichten, sondern auch Strukturen und Defekte wie Risse zu detektieren, welche im Material relativ zur Oberfläche in vertikaler Richtung verlaufen.The invention has for its object to be able to perform non-destructive and non-contact tests of materials of various kinds, in particular structures on the surface or in the near-surface region ("edge zone") are to be detected. These include defect structures such as cracks and inclusions as well as structures that have been intentionally introduced into the materials through manufacturing processes (eg fibers) or that have been created by a natural (eg biological or geological) process (example: tissue structures, inhomogeneities / anisotropies in rocks). Particular attention is paid to detecting not only horizontal structures such as layers, but also structures and defects such as cracks, which run in the material in a vertical direction relative to the surface.

Für die Materialprüfung auf oberflächennahe Strukturen und Schäden existieren eine Reihe unterschiedlicher Verfahren. Optische Verfahren (z. B. Schlierenoptik, Optische Kohärenztomographie (OCT)) ermöglichen es, transparente bzw. streuende Materialien hinsichtlich Spannungen und Gewebestrukturen zu untersuchen. Sie beruhen auf Änderungen der optischen Weglänge bzw. der Streuung von Licht kurzer Kohärenzlänge.There are a number of different methods for material testing for near-surface structures and damage. Optical techniques (eg streak optics, optical coherence tomography (OCT)) allow the examination of transparent and scattering materials with regard to stresses and tissue structures. They are based on changes in the optical path length or the scattering of light of short coherence length.

Auch mit Hilfe von fluoreszierenden Farbstoffen lassen sich Risse detektieren. Hierbei werden Farbstoffe aufgetragen und wieder entfernt- nur innerhalb von Rissen verbleiben sie und können durch Anregung z. B. mittels UV-Strahlung sichtbar gemacht werden.Even with the help of fluorescent dyes cracks can be detected. Here, dyes are applied and removed again - only within cracks they remain and can by excitation z. B. be visualized by means of UV radiation.

Die Röntgenographie wird ebenfalls zur Analyse von Rissen eingesetzt. Mikromagnetische Verfahren sprechen ebenfalls auf Risse an, weil sie den oberflächennah erzeugten Wirbelstrom stören.X-rayography is also used to analyze cracks. Micromagnetic processes also respond to cracks because they disrupt the near-surface eddy current.

Akustische Verfahren basieren auf der Aussendung von (Ultra-)Schallwellen, welche an Inhomogenitäten gestreut bzw. reflektiert und von einem Empfänger (in der Regel identisch mit dem Sender) detektiert werden, wobei das Vorhandensein solcher Reflexe Strukturen anzeigt und ihre Intensität und Laufzeit Aussagen über die Materialkontraste und ihre Entfernung vom Sender erlauben.Acoustic methods are based on the emission of (ultra) sound waves which are scattered or reflected by inhomogeneities and detected by a receiver (usually identical to the transmitter), the presence of such reflections indicating structures and their intensity and propagation time information allow the material contrasts and their removal from the transmitter.

Eine weitere Klasse von Prüfverfahren stellt die Photothermik dar. Hier wird in das Prüfobjekt Energie eingekoppelt, welche zuminderst teilweise in Wärme umgewandelt wird und sich im Material ausbreitet. Diese Energie kann dabei elektromagnetische Strahlung, Partikelstrahlung, akustische Energie oder auch (Wirbel-)Strom sein, wobei die Energiezufuhr zumeist gepulst oder moduliert erfolgt. Bei moduliertem Energieeintrag erfolgt die Ausbreitung der generierten Wärme in Form von stark gedämpften Temperaturwellen, welche an thermischen Inhomogenitäten gestreut, gebeugt oder reflektiert werden.Another class of test methods is photothermal technology. Energy is coupled into the test object, which is at least partly converted into heat and propagates in the material. This energy may be electromagnetic radiation, particle radiation, acoustic energy or (vortex) current, wherein the energy supply is usually pulsed or modulated. With modulated energy input, the propagation of the generated heat takes place in the form of strongly damped temperature waves, which are scattered, diffracted or reflected by thermal inhomogeneities.

Probleme und Nachteile bestehender Verfahren:Problems and disadvantages of existing procedures:

Die genannten bestehenden Verfahren werden heute für diverse Prüfaufgaben eingesetzt, je nach Prüfverfahren und Anwendung ergeben sich verschiedene Nachteile. Beispielsweise lassen sich optische Verfahren nicht bei opaquen Materialien einsetzen, die fluoreszenzbasierte Rissprüfung zählt zu den berührenden Verfahren und eignet sich auch nur für Risse, die bis zur Oberfläche reichen. Auch die akustischen Verfahren erfordern ein Kontaktmedium (Wasser, Gel) und sind somit nicht berührungslos. Zudem ist die Prüfung sehr nahe an der Oberfläche aufgrund der hohen Schallgeschwindigkeit schwierig. Die Mikromagnetik ist nur an leitenden Festkörpern einsetzbar und erfordert zumeist einen Kontakt der Messsonde mit der Prüfoberfläche. Die Röntgenographie ist aufgrund ihrer geringen Prüftiefe nur begrenzt einsetzbar- größere Prüftiefen erfordern deshalb einen sukzessiven Materialabtrag. Wegen der verwendeten ionisierenden Strahlen sind zudem umfangreiche Schutzmaßnahmen erforderlich.The existing methods mentioned are used today for various test tasks, depending on the test method and application, there are several disadvantages. For example, optical methods can not be used with opaque materials, the fluorescence-based crack detection is one of the touching methods and is only suitable for cracks that reach to the surface. The acoustic methods also require a contact medium (water, gel) and are thus not contactless. In addition, testing very close to the surface is difficult due to the high speed of sound. The micro-magnetics can only be used on conductive solids and usually require contact between the probe and the test surface. Because of its low inspection depth, X-ray imaging has limited applicability - larger inspection depths therefore require a gradual removal of material. Due to the ionizing radiation used, extensive protective measures are also required.

Die photothermische Prüfung ist an vielen Materialien einsetzbar, um Strukturen und Schäden zu detektieren. Problematisch sind jedoch die langen Messzeiten insbesondere bei scannenden, flächenhaften (bildgebenden) Prüfungen sowie ein z. T. erheblicher Justageaufwand. Zudem lassen sich nicht alle Strukturen und Defektarten detektieren. Außerdem bedeutet die Fokussierung des Laserstrahls auf der Oberfläche, wie sie für die Wärmewellenmikroskopie erforderlich ist, eine z. T. erhebliche thermische Belastung des Prüfobjekts, welche die Gefahr einer lokalen Beeinträchtigung der Oberfläche birgt.The photothermal test can be used on many materials to detect structures and damage. The problem is, however, the long measurement times, especially in scanning, areal (imaging) tests and a z. T. considerable adjustment effort. In addition, not all structures and types of defects can be detected. In addition, the focusing of the laser beam on the surface, as required for the heat wave microscopy means a z. T. considerable thermal load of the test object, which carries the risk of local impairment of the surface.

Bisherige Lösungsversuche:Previous solution attempts:

Von den oben genannten Prüfmethoden ist die Photothermik die einzige, welche berührungslos und zerstörungsfrei eine flächenhafte Prüfung ermöglicht. Die Photothermik ist dabei in eine Vielzahl von Varianten zu unterteilen, die jeweils für bestimmte Aufgabenstellungen optimiert sind. So ermöglicht beispielsweise die photothermische Radiometrie bei flächenhafter Zuführung von Anregungsenergie die Prüfung von Beschichtungen und schichtartigen Strukturen. Eine Wärmewelle breitet sich dabei als ebene Welle senkrecht zur Oberfläche in dem Prüfobjekt aus. Sie wird dann von Strukturen reflektiert, wenn ihre Ausbreitungsrichtung nicht parallel zu diesen Strukturen verläuft.Of the above-mentioned test methods, photothermics is the only one which enables non-contact and non-destructive surface testing. The photothermal technology is subdivided into a multitude of variants that are each optimized for specific tasks. For example, the photothermal radiometry allows areally supply of excitation energy, the testing of coatings and layered structures. A heat wave propagates as a plane wave perpendicular to the surface in the test object. It is then reflected by structures if their propagation direction is not parallel to these structures.

Infolge dessen können mit dieser Methode keine vertikal zur Oberfläche verlaufenden Strukturen wie Risse erkannt werden. As a result, this method can not detect any structures running vertically to the surface, such as cracks.

Um diesen Nachteil zu beheben, lässt sich die Anregungsenergie nahezu punktuell einbringen- beispielsweise dadurch, dass man einen modulierten Laserstrahl auf die Prüfoberfläche fokussiert. Die auf diese Weise erzeugten Wärmewellen breiten sich in Gestalt von (Halb-)kugelförmigen Wellen aus, die auch an vertikalen Rissen reflektiert werden. Bei dieser Methode erfolgt die Detektion der Temperaturantwort am Ort der Anregung oder auch etwas lateral versetzt. Die Präsenz eines Risses oder anderer Strukturen zeigt sich durch Änderungen der Intensität und Phase des Signals. Um Risse detektieren zu können, muss der Laserfokus zusammen mit der Infrarotabtastung zeilen- und spaltenweise über die Oberfläche gerastert und die Messsignale bildhaft dargestellt werden, wobei für jeden Messpunkt eine Einschwingzeit sowie die Integrationszeit der Messelektronik abgewartet werden muss, so dass z. T. erhebliche Messzeiten bereits für kleine Flächen die Folge sind.In order to remedy this disadvantage, the excitation energy can be introduced almost punctually, for example by focusing a modulated laser beam on the test surface. The heat waves generated in this way propagate in the form of (semi-) spherical waves, which are also reflected at vertical cracks. In this method, the detection of the temperature response takes place at the point of excitation or a little laterally offset. The presence of a crack or other structure is manifested by changes in the intensity and phase of the signal. In order to be able to detect cracks, the laser focus along with the infrared scanning must be rastered across the surface in lines and columns, and the measurement signals must be pictorially displayed, whereby a settling time and the integration time of the measuring electronics must be waited for each measuring point, so that z. T. significant measurement times already for small areas are the result.

Diesen Nachteil behebt die so genannte Lock-in-Thermographie [Bus95]. Hierbei wird die gesamte Prüfoberfläche mit Hilfe einer intensiven modulierten Lichtquelle bestrahlt. In diesem Fall erfolgt die Abtastung der Oberfläche aber nicht Punkt für Punkt, sondern flächig mit Hilfe von Infrarotkameras. Aus der zeitlichen Abfolge der Infrarotbilder wird dann Pixel für Pixel die Amplituden- und Phaseninformation rekonstruiert. Dieses Verfahren ist erheblich schneller als die scannende photothermische Radiometrie, hat aber wieder den Nachteil, dass sich die Wärmewellen senkrecht in dem Material ausbreiten und vertikale Risse unsichtbar bleiben.This disadvantage is remedied by the so-called lock-in thermography [Bus95]. Here, the entire test surface is irradiated by means of an intense modulated light source. In this case, however, the scanning of the surface is not done point by point, but flat with the help of infrared cameras. The amplitude and phase information is then reconstructed pixel by pixel from the temporal sequence of the infrared images. This method is significantly faster than scanning photothermal radiometry, but again has the disadvantage that the heat waves propagate vertically in the material and vertical cracks remain invisible.

Dieser Nachteil wurde wiederum zu beheben versucht, indem anstelle einer Anregung mit Hilfe von Strahlung energiereiche Ultraschallwellen in das Prüfobjekt eingekoppelt werden. Diese führen im Rissbereich zur Erwärmung, welche darin wiederum thermographisch nachweisbar ist. Nachteil ist aber auch hier wieder die erforderliche Kontaktierung zu Prüfobjekt.This disadvantage was again attempted to remedy by instead of excitation by means of radiation high-energy ultrasonic waves are coupled into the test object. These lead to heating in the crack area, which in turn is thermographically detectable therein. However, the disadvantage here is again the required contacting with the test object.

Ein weiterer Lösungsversuch besteht in der Induktions-Lock-in-Thermographie, welche sich nur bei leitenden Materialien einsetzen lässt [Rie07].Another approach is to use induction lock-in thermography, which can only be used with conducting materials [Rie07].

Aufgabenstellung, die der Erfindung zugrunde liegt:Task on which the invention is based:

Die Aufgabenstellung der Erfindung beruht darauf, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches obige Nachteile überwindet. Insbesondere soll das Verfahren folgende Vorteile in sich vereinen:

– kurze Messzeiten in Verbindung mit flächenhafte Messungen
– berührungsloses sowie zerstörungsfreies Funktionsprinzip
– Detektion sowohl horizontaler als auch vertikaler Strukturen und Defekte (z. B. Risse)
– Einsetzbarkeit an zahlreichen Materialien (Metalle, Keramik, Verbundwerkstoffe wie Karbonteile von Fahrzeugen/Flugzeugen), biologische und geologische Materialien.
– einstellbare Analysetiefen von einigen Zentimetern bis einem Mikrometer oder weniger.
– Automatisierbarkeit

The object of the invention is based on providing a method which overcomes the above disadvantages. In particular, the method should combine the following advantages:

- short measuring times in connection with area measurements
- Non-contact and non-destructive operating principle
- Detection of both horizontal and vertical structures and defects (eg cracks)
- Usability on numerous materials (metals, ceramics, composite materials such as carbon parts of vehicles / aircraft), biological and geological materials.
- Adjustable depths of analysis from a few centimeters to a micrometer or less.
- Automation

Technische Lösung:Technical solution:

Die Ausbreitung von ebenen Wärmewellen im eindimensionalen Fall wird durch eine Theorie von Rosencwaig und Gershow [ROS76] beschrieben. Demnach lassen sich solchen Wärmewellen eine Dämpfungskonstante μ_th und eine Wellenlänge λ_th zuordnen, die beide frequenzabhängig sind und sich voneinander durch eine Konstante unterscheiden: μ_th = √(κ/ρcπf) (Gleichung 1) λ_th = 2πμ_th (Gleichung 2) (κ, ρ, c = Wärmeleitfähigkeit, spez. Wärmekapazität, Dichte)The propagation of even heat waves in the one-dimensional case is by a Theory of Rosencwaig and Gershow [ROS76] described. Accordingly, such heat waves can be assigned an attenuation constant μ _th and a wavelength λ _th , both of which are frequency-dependent and differ from one another by a constant: μ _th = √ (κ / ρcπf) (Equation 1) λ _th = 2πμ _th (Equation 2) (κ, ρ, c = thermal conductivity, specific heat capacity, density)

Die technische Lösung der obigen Aufgabenstellung beruht darauf, dass den Phasenfronten ebener Wärmewellen durch asynchrone Anregung ein einstellbarer Winkel relativ zur Prüfoberfläche (im Folgenden als Phasenneigungswinkel α bezeichnet) aufgezwungen wird und somit Reflexionen von Wärmewellen auch an vertikalen Strukturen auftreten.The technical solution of the above task is based on the fact that the phase fronts of plane heat waves by asynchronous excitation an adjustable angle relative to the test surface (hereinafter referred to as phase inclination angle α) imposed and thus reflections of heat waves also occur on vertical structures.

Um solche ebenen Wärmewellen zu erzeugen, wird die zu untersuchende Oberfläche flächenhaft mit Energie- z. B. Laserstrahlung-thermisch angeregt, wobei aber die Anregung asynchron geschieht, indem die Beaufschlagung der Oberfläche mit Energie in Gestalt eines periodischen Streifenmusters erfolgt, welches sich senkrecht zum Streifenverlauf über die Oberfläche bewegt (1). Auf diese Weise erfährt jeder Punkt der bestrahlten Oberfläche eine zeitlich periodische Anregung, welche in Streifenrichtung synchron ausfällt, senkrecht zu Streifenrichtung dagegen asynchron: Zwei Punkte auf der Oberfläche, die in dieser Richtung z. B. einen viertel Streifenabstand voneinander entfernt sind, weisen nun untereinander einen Phasenunterschied in ihrer Anregung von 90 Grad auf, einem halben Streifenabstand entsprechen dann 180 Grad usw.In order to produce such even heat waves, the surface to be examined is areally energy z. B. laser radiation thermally excited, but the excitation occurs asynchronously by the application of energy to the surface takes place in the form of a periodic stripe pattern which moves perpendicular to the strip over the surface ( 1 ). In this way, each point of the irradiated surface undergoes a time-periodic excitation, which is synchronous in the stripe direction, in contrast to the strip direction, however, asynchronously: Two points on the surface, in this direction z. B. are a quarter of a strip distance apart, now have each other a phase difference in their excitation of 90 degrees, half a strip spacing then equal 180 degrees, etc.

Der Streifenabstand Δy und die Zeit v, mit der das Streifenmuster über die Oberfläche wandert, legen letztlich die Modulationsfrequenz f fest: f = v/Δy The fringe spacing Δy and the time v at which the fringe pattern travels across the surface ultimately determine the modulation frequency f: f = v / Δy

Der Streifenabstand Δy lässt sich dabei als Wellenlänge einer Art Oberflächenwelle auffassen: λ_O = Δy.The fringe spacing Δy can be understood as the wavelength of a type of surface wave: λ _O = Δy.

In 1 ist dargestellt, dass der Betrag des Phasenneigungswinkels α umso größer ausfällt, je größer λ_th im Vergleich zu λ_O ist: In 1a) ist der Sachverhalt für einen im Verhältnis zu λ_O geringen Wert von λ_th skizziert, der Phaseneigungswinkel ist vergleichsweise klein. In 1b) wurde ein größerer Wert von λ_th angenommen, der Phasenneigungswinkel hat entsprechend zugenommen. Eine solche Zunahme von λ_th und damit von α lässt sich gemäß Gleichungen 1 und 2 durch eine Verringerung der Modulationsfrequenz f erreichen oder durch eine Verringerung von λ_O.In 1 It is shown that the larger the value of the phase inclination angle α, the larger λ _th compared to λ _O : In 1a) if the situation is sketched for a small value of λ _th in relation to λ _O , the phase tilt angle is comparatively small. In 1b) When a larger value of λ _{th has been} assumed, the phase tilt angle has increased accordingly. Such an increase of λ _th and thus of α can be achieved according to equations 1 and 2 by a reduction of the modulation frequency f or by a reduction of λ _O.

Diesen Sachverhalt zeigen auch die durchgeführten FEM-Analysen, mit denen das Verhalten solcher Wellenfronten in Gegenwart von vertikalen Rissen untersucht wurde.This fact is also shown by the FEM analyzes carried out to investigate the behavior of such wavefronts in the presence of vertical cracks.

2 illustriert einen Prüfkörper der Größe L_x·L_y·L_z mit einem in der x-z-Ebene ausgedehnten Riss an der Position y = L_r, die Prüfoberfläche befindet sich hier parallel zur y-z-Ebene, die Laufrichtung der Anregungsstreifen ist parallel zur y-Achse. 2 illustrates a test specimen of size L _x · L _y · L _z with a crack extended in the xz plane at the position y = L _r , the test surface is here parallel to the yz plane, the running direction of the excitation strips is parallel to the y Axis.

Anders als bei Wärmewellen mit einer Ausbreitungsrichtung senkrecht zur Oberfläche (d. h. α = 0°) werden nun sprunghafte Änderungen von Amplitude und Phase im Rissbereich beobachtet. 3 zeigt die Phasenlinien in einem Querschnitt in der x-y-Ebene. In der Umgebung des Risses sind die Phasenlinien deutlich gestört.Unlike thermal waves with a propagation direction perpendicular to the surface (ie α = 0 °), sudden changes in amplitude and phase are now observed in the crack region. 3 shows the phase lines in a cross section in the xy plane. In the vicinity of the crack, the phase lines are clearly disturbed.

In 3a) ist infolge einer niedrigen Modulationsfrequenz f der Phasenneigungswinkel α groß und die beschriebene Störung sehr ausgeprägt, wobei anzumerken ist, dass eine Störung der Wärmewellenausbreitung Voraussetzung für einen Messeffekt darstellt. Durch Vergrößerung der Modulationsfrequenz von 3a) bis 3d) wird in dieser Simulation der Phasenneigungswinkel α immer kleiner und die Störung nimmt deutlich ab.In 3a) As a result of a low modulation frequency f, the phase inclination angle α is large and the disturbance described is very pronounced, wherein it should be noted that a disturbance of the heat wave propagation is a prerequisite for a measuring effect. By increasing the modulation frequency of 3a) to 3d) In this simulation, the phase inclination angle α becomes smaller and smaller, and the disturbance decreases significantly.

Bei sehr hohen Modulationsfrequenzen verlaufen die Phasenlinien wieder nahezu parallel zur Oberfläche (α -> 0°), die Wellenfronten werden durch den vertikalen Riss nicht mehr gestört, so dass er nicht mehr detektierbar ist.At very high modulation frequencies, the phase lines again run almost parallel to the surface (α -> 0 °), the wavefronts are no longer disturbed by the vertical crack, so that it is no longer detectable.

Störungen der Wärmewelle sind allerdings nur an der Prüfoberfläche direkt messtechnisch zugänglich (z. B. mittels Infrarotsensoren, IR-Kameras und der Thermoreflexion).Disturbances of the heat wave, however, are only directly accessible on the test surface (eg by means of infrared sensors, IR cameras and thermo-reflection).

4a) zeigt deshalb den Verlauf der Phase direkt auf der Prüfoberfläche parallel zur y-Koordinate für einen großen Phasenneigungswinkel α. An der Position y = L_r ist deutlich das sprunghafte Verhalten der Phase sichtbar. 4b) illustriert dagegen den Verlauf der Signalstärke (Amplitude) entlang der y-Koordinate. Auch in dieser Messgröße zeigt sich ein deutlicher Kontrast an der Rissposition. 4a) therefore shows the course of the phase directly on the test surface parallel to the y-coordinate for a large phase inclination angle α. At the position y = L _r , the sudden behavior of the phase is clearly visible. 4b) on the other hand illustrates the course of the signal strength (amplitude) along the y-coordinate. Also in this measure shows a clear contrast at the crack position.

Diese Methode und ihre Parameter lassen sich auf vielfältige Weise an konkrete Prüfsituationen anpassen durch:

– Änderung der Laufgeschwindigkeit v des Streifenmusters
– Umkehren und Drehen der Laufrichtung des Streifenmusters
– Änderung des Streifenabstandes

This method and its parameters can be adapted to specific test situations in a variety of ways by:

- Change of running speed v of the stripe pattern
- Inverting and rotating the running direction of the stripe pattern
- Change of the strip distance

Mit diesen Parametern lässt sich der Phasenneigungswinkel einer Wärmewelle einstellen, so dass eine maximale Empfindlichkeit für Risse (großer Phasenneigungswinkel α) oder eine maximale Empfindlichkeit für Strukturen parallel zur Oberfläche erreicht wird (kleiner Phasenneigungswinkel).With these parameters, the phase tilt angle of a thermal wave can be adjusted so that maximum sensitivity for cracks (large phase tilt angle α) or maximum sensitivity for structures parallel to the surface is achieved (small phase tilt angle).

Für geringe (vertikale) Risstiefen sollte ein großer Phasenneigungswinkel mit einer hohen Modulationsfrequenz und gleichzeitig geringem Streifenabstand realisiert werden. Die Laufrichtung ist entsprechend der erwarteten Rissorientierung festzulegen – zumeist verursachen die Fertigungsverfahren (z. B. Schleifen) und Beanspruchungsmuster (z. B. Biegen) Risse mit einer entsprechenden Richtung). Sofern Risse in allen Orientierungen auftreten können, sind mehrere Untersuchungen mit unterschiedlichen Laufrichtungen der Streifen durchzuführen.For small (vertical) crack depths, a large phase inclination angle with a high modulation frequency and at the same time a small fringe spacing should be realized. The direction of travel must be determined according to the expected crack orientation - usually the manufacturing processes (eg grinding) and stress patterns (eg bending) cause cracks with a corresponding direction). If cracks can occur in all orientations, several examinations with different running directions of the strips are to be carried out.

Ausführungsformen:Embodiments:

Bewegte, periodische Streifen lassen sich auf einer Oberfläche auf unterschiedliche Weise erzeugen:
Mechanisch/optisch (5a): Der Anregungsstrahl (z. B. ein Laserstrahl) trifft auf ein mechanisches, bewegliches Gitter, dessen Segmente Strahlungsanteile streifenweise ausblenden, reflektieren oder bündeln. Solche Gitter können in Form einer rotierenden, mechanischen Chopperscheibe bestehen, daneben sind bewegte Bänder, Folien und rotierende Trommeln mit periodisch angeordneten Segmenten möglich.Moving, periodic stripes can be created on a surface in different ways:
Mechanical / optical ( 5a ): The excitation beam (eg a laser beam) strikes a mechanical, movable grid whose segments hide, reflect or bundle radiation components in strips. Such gratings may be in the form of a rotating, mechanical chopper disc, besides moving bands, foils and rotating drums with periodically arranged segments are possible.

Gitter mit streifenweise bündelnder Wirkung können beispielsweise Arrays aus Zylinderlinsen sein.Lattices with strip-like bundling effect can be, for example, arrays of cylindrical lenses.

Idealerweise befinden sich stets mehrere Gittersegmente im Strahlquerschnitt. Die Gittersegmente bewegen sich mit einstellbarer Geschwindigkeit senkrecht zu ihrer Längsrichtung, auf der Prüfoberfläche erscheint dann entsprechend der Ausblendungen, Reflexionen oder Bündelungen an den Gittersegmenten ein bewegtes Muster aus periodischen Lichtstreifen.Ideally, there are always several grid segments in the beam cross section. The grid segments move at an adjustable speed perpendicular to their longitudinal direction on which The test surface then appears corresponding to the fades, reflections or bundles on the grid segments a moving pattern of periodic light stripe.

An Stelle der Gitter- bzw. Chopperblattsegmente können auch entsprechend angeordnete refraktive oder diffraktive optische Elemente stehen, welche die Anregungsstrahlung an der Prüfoberfläche streifenweise konzentrieren. Eine Phasenreferenz kann beispielsweise mit Hilfe von Lichtschranken oder ausgekoppelten Teilstrahlen, die ein Referenzsignal an einem Sensor verursachen, erzeugt werden.Instead of the grating or chopper blade segments, it is also possible to provide correspondingly arranged refractive or diffractive optical elements which concentrate the excitation radiation on the test surface in strips. A phase reference can be generated, for example, by means of light barriers or coupled-out sub-beams, which cause a reference signal to a sensor.

Anordnung mit mehreren Strahlungsquellen (Fig. 5b):Arrangement with several radiation sources (FIG. 5b):

Hierbei kommen mehrere Strahlungsquellen derart zum Einsatz, dass jede Quelle einen Streifen auf der Oberfläche bestrahlt, wobei die Streifen parallel zueinander sind. Strahlen alle Quellen gleichzeitig, dann wird die Prüfoberfläche weitgehend synchron mit Energie beaufschlagt. Diese Konstellation, die zum Stand der Technik gezählt werden muss, ist gegeben, wenn beispielsweise kommerzielle Diodenlaserarrays eingesetzt werden.In this case, a plurality of radiation sources are used such that each source irradiates a strip on the surface, wherein the strips are parallel to one another. If all sources are blasting at the same time, then the test surface is subjected largely synchronously to energy. This constellation, which must be counted in the prior art, is given when, for example, commercial diode laser arrays are used.

Wird jedoch jede einzelne Strahlquelle zeitlich periodische (z. B. durch ein sinus- oder rechteckförmiges Stromsignal) angesteuert und von einer Quelle zur jeweils nächsten ein (wählbarer, konstanter) Phasenversatz realisiert, resultiert daraus ein auf der Oberfläche bewegliches Muster periodischer Streifen. Je nach Anordnung und Ansteuerung der Strahlungsquellen lassen sich unterschiedliche Streifenabstände und Streifengeschwindigkeiten realisieren. Prinzipiell lässt sich die Anregungsstrahlung auch über Lichtleitfasern zuführen. Eine Phasenreferenz lässt sich aus der elektronischen Ansteuerung (eines) der Einzellaser gewinnen.If, however, each individual beam source is controlled in a time-periodic (eg by a sinusoidal or rectangular current signal) and realized from one source to the next (selectable, constant) phase offset, this results in a superimposed pattern of periodic stripes. Depending on the arrangement and control of the radiation sources, different strip spacings and strip speeds can be realized. In principle, the excitation radiation can also be supplied via optical fibers. A phase reference can be obtained from the electronic control (one) of the single laser.

Anregung mit Interferenzmuster (Fig. 5c):Excitation with interference pattern (FIG. 5c):

Hier werden zwei Strahlungsbündel (z. B. Laserstrahlen) auf der Prüfoberfläche derart überlagert, dass sie ein Interferenzmuster erzeugen. Der Abstand der Streifen lässt sich einstellen, indem der Winkel zwischen den Strahlen und/oder relativ zur Oberfläche verändert wird oder indem die Wellenlängen vergrößert/reduziert werden. Das Streifenmuster lässt sich auf der Oberfläche in Bewegung versetzen, indem einer oder beide Laserstrahlen in ihrer Position oder Richtung verändert werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Laufweg eines der Strahlen (oder beider) durch Verzögerungsstrecken zu verändern, die rein mechanisch, optisch oder elektrooptisch realisiert sein können. Eine dritte Möglichkeit besteht darin, unterschiedliche Beugungsordnungen (z. B. Ordnung Null und Eins, Ordnung Eins und minus Eins, usw.) eines Laserstrahles, der einen akustooptischen Modulator (AOM) durchlaufen hat, sich im Bereich der Prüfoberfläche kreuzen zu lassen, wo sie miteinander interferieren und Streifenmuster bilden. Die Beugungsordnungen unterscheiden sich in ihrer Frequenz v entsprechend der Schallfrequenz im AOM. Dieser Frequenzunterschied verursacht, dass sich die Interferenzstreifen bewegen, so dass Modulationsfrequenzen im Megahertzbereich möglich werden (5c). Derartige Anordnungen werden in der Laser-Doppler-Anemometrie zur Messung von Partikelgeschwindigkeiten eingesetzt, hier dienen die periodischen, bewegten Streifen der asynchronen thermischen Anregung einer Prüfoberfläche. Eine Phasenreferenz lässt sich in diesem Fall aus dem Mikrowellensignal ableiten, mit dem der AOM betrieben wird.Here, two radiation beams (eg laser beams) are superimposed on the test surface in such a way that they generate an interference pattern. The spacing of the strips can be adjusted by changing the angle between the beams and / or relative to the surface or by increasing / reducing the wavelengths. The stripe pattern can be set in motion on the surface by changing one or both laser beams in their position or direction. Another possibility is to change the path of one of the beams (or both) by delay lines, which can be realized purely mechanically, optically or electro-optically. A third possibility is to have different orders of diffraction (eg, zero and one order, order one and minus one, etc.) of a laser beam that has passed through an acousto-optic modulator (AOM) cross in the area of the test surface they interfere with each other and form striped patterns. The diffraction orders differ in their frequency v according to the sound frequency in the AOM. This frequency difference causes the interference fringes to move so that modulation frequencies in the megahertz range become possible ( 5c ). Such arrangements are used in laser Doppler anemometry for the measurement of particle velocities, here are the periodic, moving strips of asynchronous thermal excitation of a test surface. A phase reference can be derived in this case from the microwave signal with which the AOM is operated.

Realisierung der Detektion der thermischen Antwort und ihrer Auswertung:Realization of the detection of the thermal response and its evaluation:

Die oben beschriebenen Methoden dienen der Erzeugung von Wärmewellen, deren Phasenneigungswinkel α einstellbar ist und die an vertikalen Strukturen und Defekten in ihrer Ausbreitung gestört werden. Dieser Effekt stellt sich auf der gesamten bestrahlten Fläche ein. Die Forderung nach einer schnellen, flächenhaften Messung lässt sich durch die Detektion der Wärmewelle an der Prüfoberfläche mit Hilfe einer Infrarotkamera umsetzen. Diese erfasst den räumlichen und zeitlichen Temperaturverlauf im angeregten Bereich der Prüfoberfläche (oder Teilen davon). In 6 ist dargestellt, dass eine Infrarotkamera eine Folge von Wärmebildern von der mit bewegten Streifen bestrahlten Prüfoberfläche aufnimmt. Für jedes einzelne Pixel der Sensormatrix der IR-Kamera (bzw. einer zweckmäßigen Auswahl von Pixeln) wird aus der Bildsequenz ein zeitlicher (Temperatur-)Signalverlauf extrahiert. Zusammen mit dem Referenzsignal, welches im dargestellten Beispiel mit einer Reflexlichtschranke von der rotierenden Chopperscheibe erzeugt wird, lässt sich mit Hilfe der Lock-in-Technik mathematisch ein Amplituden- und Phasensignal gewinnen. So wird mit allen ausgewählten Pixeln verfahren, wodurch ein Amplitudenbild sowie ein Phasenbild entstehen.The methods described above are used to generate heat waves whose phase tilt angle α is adjustable and which are disturbed by vertical structures and defects in their propagation. This effect occurs over the entire irradiated area. The demand for a fast, areal measurement can be realized by the detection of the heat wave at the test surface with the help of an infrared camera. This records the spatial and temporal temperature profile in the excited area of the test surface (or parts thereof). In 6 It is shown that an infrared camera receives a series of thermal images from the moving strip irradiated test surface. For each individual pixel of the sensor matrix of the IR camera (or a suitable selection of pixels), a temporal (temperature) signal profile is extracted from the image sequence. Together with the reference signal, which is generated in the illustrated example with a reflected light barrier from the rotating chopper disk, it is possible with the aid of the lock-in technique to mathematically obtain an amplitude and phase signal. This will operate on all selected pixels, resulting in an amplitude image and a phase image.

Anstelle der Thermographie lassen sich auch Verfahren wie die Thermoreflexion flächig einsetzen, sofern der Temperaturkoeffizient der Reflexion dR/dT und die Temperaturamplitude ΔT für das untersuchte Material hinreichend groß sind.Instead of thermography, methods such as thermo-reflection can also be used over a wide area, provided that the temperature coefficient of reflection dR / dT and the temperature amplitude ΔT are sufficiently large for the investigated material.

Wegen der Anregung mit einem bewegten Streifenmuster wird auch das Phasenbild zunächst einen streifenförmigen, periodischen Verlauf aufweisen, der einem ortsabhängigen Phasenoffset (360° von einem Streifen zum nächsten) entspricht. Dieser ist aber rechnerisch einfach zu kompensieren und nicht weiter störend. Nach dieser Kompensation treten in der bildhaften Phasendarstellung die gesuchten Strukturen als lokale Kontrastelemente hervor.Because of the excitation with a moving fringe pattern, the phase image will initially have a stripe-shaped, periodic course, which corresponds to a location-dependent phase offset (360 ° from one stripe to the next). But this is computationally easy to compensate and not disturbing. After this compensation In the pictorial phase representation, the sought-after structures emerge as local contrast elements.

Amplitudenbilder bedürfen keiner solchen Nachbearbeitung.Amplitude images require no such post-processing.

Alternativ zur flächenhaften Detektion kann eine Signaldetektion auch mit Hilfe von Einzelelementsensoren oder Zeilensensoren erfolgen, was hinsichtlich Messzeit in der Regel nachteilig ist.As an alternative to areal detection, signal detection can also take place with the aid of single-element sensors or line sensors, which is generally disadvantageous in terms of measurement time.

Auswertung der Messsignale:Evaluation of the measuring signals:

Das vorgeschlagene Prüfverfahren ermöglicht erstmals den flächigen Nachweis von vertikalen (Fehler-)Strukturen in einem Prüfobjekt. Die Prüfergebnisse liegen entsprechend in Form von Bildern vor, auf denen sich die gesuchten Strukturen als lokale Signaländerungen darstellen. Für die Beurteilung von Strukturen und Defekten des Prüfobjekts sind zahlreiche Methoden der Bildverarbeitung als Stand der Technik verfügbar- sie sind nicht Gegenstand dieser Patentansprüche.For the first time, the proposed test method enables the areal detection of vertical (fault) structures in a test object. The test results are accordingly available in the form of images on which the sought-after structures represent local signal changes. For the evaluation of structures and defects of the test object numerous methods of image processing are available as state of the art - they are not the subject of these claims.

Parametervariation:Parameter variation:

Alle der genannten Optionen zur Erzeugung eines bewegten Streifenmusters auf einer Prüfoberfläche erlauben eine einfache Änderung der Modulationsfrequenz durch Änderungen der Streifengeschwindigkeit (z. B. Drehzahl des Chopperrades, Ansteuerfrequenz des akustooptischen Modulators). Die Änderung des Streifenabstandes ist ebenfalls einfach möglich, z. B. durch den Segmentabstand des Gitters, durch den Ansteuermodus eines Strahlquellenarrays, durch Wellenlängen- bzw. Winkeländerungen interferierender Anregungsstrahlen (LDA) und durch Variation der Abbildungsgeometrie.All of the mentioned options for generating a moving stripe pattern on a test surface allow a simple change of the modulation frequency by changes in the strip speed (eg speed of the chopper wheel, drive frequency of the acousto-optic modulator). The change of the strip spacing is also easily possible, for. B. by the segment spacing of the grating, by the driving mode of a beam source array, by wavelength or angle changes of interfering excitation beams (LDA) and by varying the imaging geometry.

Wesentliche Neuerung der Erfindung:Substantial innovation of the invention:

Die Erfindung ermöglicht die schnelle, flächenhafte und berührungslose Prüfung auf Risse und andere Strukturen, die vertikal zur Prüfoberfläche ausgerichtet sein können. Aufgrund des einstellbaren Phasenneigungswinkels lässt sich bequem einstellen, ob die Messung eher für schichtartige Strukturen oder für vertikale (z. B. rissartige) Strukturen sensibel sein soll.The invention enables rapid, areal and non-contact inspection for cracks and other structures which may be oriented vertically to the test surface. Due to the adjustable phase inclination angle, it is easy to set whether the measurement should be more sensitive to layered structures or to vertical (eg crack-like) structures.

Vorteile gegenüber dem Stand der Technik:Advantages over the prior art:

Unter dem Gesichtpunkt einer berührungslosen und zerstörungsfreien Funktionsweise erlaubt der Stand der Technik eine Prüfung von Materialien entweder hinsichtlich vertikaler Strukturen wie Risse mit Hilfe der sehr langsamen Rastermethode (Erzeugung sphärischer Wärmewellen) oder hinsichtlich horizontaler Strukturen mit Hilfe der Lock-in-Thermographie. Verfahren wie die ultraschallangeregte Thermographie [Rie07] sind schnell und sensibel für vertikale Strukturen, erfordern jedoch eine Kontaktierung des Prüfobjekts. Die Induktions-Lock-in-Thermographie lässt sich nur auf leitende Materialien anwenden [Rie07].From the point of view of non-contact and non-destructive operation, the prior art permits testing of materials either in terms of vertical structures such as cracks by the very slow halftoning method (generation of spherical heat waves) or horizontal structures by means of lock-in thermography. Techniques such as ultrasound-excited thermography [Rie07] are fast and sensitive to vertical structures, but require contacting of the specimen. Induction lock-in thermography can only be applied to conductive materials [Rie07].

Die aufgezeigte technische Lösung überwindet diese Probleme und Einschränkungen, indem sie schnell, zerstörungsfrei und sensibel arbeitet. Zudem lässt sich die Prüftiefe über sehr weite Bereiche mit Hilfe der Modulationsfrequenz wählen und über den einstellbaren Phasenneigungswinkel die Empfindlichkeit für rissartige oder schichtartige Strukturen optimieren. Des Weiteren ist das Verfahren für eine Vielzahl von Materialien geeignet (Metalle, Keramiken, Halbleiter, Verbundwerkstoffe, Gläser usw.). Gegenüber der punktuell arbeitenden Rastermethode muss der Laserstrahl nicht fokussiert werden, entsprechend gering sind die thermischen Belastungen für das Prüfobjekt. Weil das aufwändige Nachführen des Laserfokus auf einer Oberfläche entfällt, lassen sich auch schwierige Geometrien wie beispielsweise Zahnflanken von Zahnrädern messen. Hierbei ist lediglich sicherzustellen, dass die Prüfoberfläche sich im Tiefenschärfebereich der Sensorik (IR-Kamera, Thermoreflexion) befindet.The presented technical solution overcomes these problems and limitations by working fast, nondestructive and sensitive. In addition, the test depth can be selected over very wide ranges with the help of the modulation frequency and the sensitivity for crack-like or layer-like structures can be optimized by means of the adjustable phase tilt angle. Furthermore, the method is suitable for a variety of materials (metals, ceramics, semiconductors, composites, glasses, etc.). Compared with the selective scanning method, the laser beam does not have to be focused; the thermal loads on the test object are correspondingly low. Because the elaborate tracking of the laser focus on a surface is eliminated, even difficult geometries such as tooth flanks of gears can be measured. It is only necessary to ensure that the test surface is in the depth of field of the sensors (IR camera, thermo-reflection).

Potentielle Anwendungen:Potential applications:

Potentielle Anwendungen liegen aus derzeitiger Sicht hauptsächlich im Bereich der Rissprüfung bei Antriebselementen (Zahnräder, Wellen), Turbinenschaufeln, Schweißnähten, Klebefugen, sowie Karbonteile im Fahrzeug- und Flugzeugbau. Die derzeit zur Verfügung stehenden Prüfverfahren werden den komplizierten Geometrien solcher z. T. hoch beanspruchter Bauteile nicht gerecht. Literatur: [ROS76] Rosencwaig, A.; Gersho, A.: Theory of the Photoacoustic Effect with Solids. J. Appl. Phys., 47 (1976) 1, S. 64–69 . [Rie07] Riegert, G.: Induktions-Lockin-Thermographie- ein neues Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung. Dissertation. Stuttgart 2007 . [Zwe03] Zweschper, T.; Riegert, G.; Dillenz, A.; Busse, G.: Ultraschallangeregte Thermografie mittels frequenzmodulierter elastischer Wellen. In: DGZfP Berichtsband 86-CD, 2003, S. 45–52 [Zwe01] Zweschper, T.; Dillenz, A.; Busse, G.: Ultrasound Lockin Thermography – a defect selective NDT method for the inspection of aerospace components. In: Insight 43 (2001), S. 173–179 . [Bus95] Busse, G.; Wu, Datong. Verfahren zur Darstellung eines effektmodulierten Gegenstandes. Patent DE 4203272 C2 . From a current perspective, potential applications are mainly in the field of crack testing of drive components (gears, shafts), turbine blades, welds, adhesive joints, as well as carbon parts in vehicle and aircraft construction. The currently available test methods are the complicated geometries such z. T. highly stressed components do not do justice. Literature: [ROS76] Rosencwaig, A .; Gersho, A .: Theory of the Photoacoustic Effect with Solids. J. Appl. Phys., 47 (1976) 1, pp. 64-69 , [Rie07] Riegert, G .: Induction Lockin Thermography - a new method for nondestructive testing. Dissertation. Stuttgart 2007 , [Zwe03] Zweschper, T .; Riegert, G .; Dillenz, A .; Busse, G .: Ultrasound-excited thermography by means of frequency-modulated elastic waves. In: DGZfP Report Volume 86-CD, 2003, p. 45-52 [Zwe01] Zweschper, T .; Dillenz, A .; Busse, G .: Ultrasound Lockin Thermography - a defect selective NDT method for the inspection of aerospace components. In: Insight 43 (2001), p. 173-179 , [Bus95] Buses, G .; Wu, Datong. Method for displaying an effect-modulated object. patent DE 4203272 C2 ,

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 4203272 C2 [0049]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Theory of Rosencwaig and Gershow [ROS76] [0016]
Rosencwaig, A .; Gersho, A .: Theory of the Photoacoustic Effect with Solids. J. Appl. Phys., 47 (1976) 1, pp. 64-69 [0049]
Riegert, G .: Induction Lockin Thermography - a new method for nondestructive testing. Dissertation. Stuttgart 2007 [0049]
Zweschper, T .; Riegert, G .; Dillenz, A .; Busse, G .: Ultrasound-excited thermography by means of frequency-modulated elastic waves. In: DGZfP Report Tape 86-CD, 2003, p. 45-52 [0049]
Zweschper, T .; Dillenz, A .; Busse, G .: Ultrasound Lockin Thermography - a defect selective NDT method for the inspection of aerospace components. In: Insight 43 (2001), p. 173-179 [0049]

Claims

Method and device for rapid, non-destructive testing of structures and defects in a test specimen with the aid of time-modulated radiation energy, which is at least partially converted into heat energy by a test surface exposed to it so that thermal waves are generated in the test specimen, characterized in that the excitation energy in Is applied to the shape of periodic strips which move perpendicular to the strip direction, whereby the distance and speed of the strips are adjustable on the surface, thereby producing heat waves with adjustable phase tilt angle in the sample so that the heat waves optionally interact with vertical or horizontal structures and defects; wherein a detection of these structures and defects by areal detection of the heat wave at the test surface by means of infrared cameras or by means of the thermo-reflection takes place by location-dependent Temperaturosz illations recorded and pictorially processed as amplitude and phase measured value relative to a reference signal.

Apparatus according to claim 1, wherein the moving fringe pattern is mechanical over a moving grating whose grating segments either block, reflect or focus.

Apparatus according to claim 1, wherein the moving strip patterns are generated by an array of radiation sources, wherein each individual segment is periodically controllable in time and a phase offset is adjustable from one segment to the next.

Apparatus according to claim 1, wherein the moving fringe patterns are generated by interference of two mutually coherent beams (e.g., laser beams), which interference causes the fringes and their movement by positional or directional changes of the beams relative to each other, by variable delay lines of one or more Both beams or by a frequency shifts after passing through an acousto-optic modulator of one or both (laser) is caused rays.

Device according to one of Claims 1 to 4, in which a reference signal for the phase calculation is generated with the aid of light barriers on the moving grating, alternatively by decoupling and detection of portions of the excitation radiation or by decoupling of control signals (current control of beam source arrays, control signal of an acousto-optical modulator) ,