DE102018222369B3

DE102018222369B3 - Verfahren und Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung eines Objekts

Info

Publication number: DE102018222369B3
Application number: DE102018222369.6A
Authority: DE
Inventors: Giovanni Schober
Original assignee: Skz Kfe Ggmbh; Skz-Kfe Ggmbh
Current assignee: Skz Kfe Ggmbh; Skz-Kfe Ggmbh
Priority date: 2018-12-19
Filing date: 2018-12-19
Publication date: 2020-06-04
Anticipated expiration: 2038-12-20

Abstract

Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Objekts mit den Schritten:- Bereitstellen eines Objekts (1) mit einer Oberfläche (3),- Durchführen eines Kalibrierschritts (11), wobei-- mindestens ein Kalibrier-Anregungspuls auf die Oberfläche (3) des Objekts (1) eingestrahlt wird zur Erzeugung eines Wärmestroms (Q) in dem Objekt (1),-- ein Kalibrier-Verlauf einer Oberflächentemperatur der Oberfläche (3) des Objekts (1) über die Zeit detektiert wird und-- der detektierte Kalibrier-Verlauf der Oberflächentemperatur ausgewertet wird zur Bestimmung mindestens einer Anregungsfrequenz (f),- Durchführen eines Messschritts je Anregungsfrequenz (f), wobei jeweils-- ein Anregungssignal (S) mit der jeweiligen Anregungsfrequenz (f) auf die Oberfläche (3) des Objekts (1) eingestrahlt wird zur Erzeugung eines Wärmestroms (Q) in dem Objekt (1),-- ein Verlauf der Oberflächentemperatur der Oberfläche (3) des Objekts (1) über die Zeit detektiert wird und-- der detektierte zeitliche Verlauf der Oberflächentemperatur ausgewertet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung eines Objekts. Insbesondere ist die Erfindung auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion von Schichtdicken und/oder inneren Strukturen, insbesondere Fehlstellen, in einem Objekt gerichtet.
In der industriellen Fertigung, beispielsweise in der Qualitätssicherung, ist es oft nötig, gefertigte Objekte zu überprüfen. Die Objekte müssen insbesondere auf innenliegende Strukturen, beispielsweise Fehlstellen, hin überprüft werden. In anderen Fällen, insbesondere bei Beschichtungen, muss eine bestimmte Schichtdicke eingehalten werden. Um die überprüften Objekte weiterverwenden zu können, bietet sich die zerstörungsfreie Prüfung, beispielsweise mittels Thermografie, an. Hierbei wird durch Einbringen von Energie auf eine Oberfläche des Objekts ein Wärmestrom innerhalb des Objekts erzeugt und ein zeitlicher Verlauf der Oberflächentemperatur an der Oberfläche des Objekts detektiert und ausgewertet.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Objekts zu schaffen, das effizient und genau ist. Insbesondere soll ein Verfahren mit einem verbesserten Signal-zu-Rausch-Verhältnis bei gleichzeitig kurzer Verfahrensdauer geschaffen werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Schritten. Zunächst wird ein Objekt mit einer Oberfläche bereitgestellt. Hieraufhin wird ein Kalibrierschritt durchgeführt, wobei mindestens ein Kalibrier-Anregungspuls auf die Oberfläche des Objekts eingestrahlt wird zur Erzeugung eines Wärmestroms in dem Objekt. In dem Kalibrierschritt wird zudem ein Kalibrier-Verlauf einer Oberflächentemperatur der Oberfläche des Objekts über die Zeit detektiert und ausgewertet, wobei mindestens eine Anregungsfrequenz bestimmt wird. Je bestimmter Anregungsfrequenz wird anschließend ein Messschritt durchgeführt. In jedem Messschritt wird ein Anregungssignal mit der jeweiligen Anregungsfrequenz auf die Oberfläche des Objekts eingestrahlt zur Erzeugung eines Wärmestroms in dem Objekt. Ein Verlauf der Oberflächentemperatur der Oberfläche des Objekts wird über die Zeit detektiert und ausgewertet.
Der Kern der Erfindung besteht darin, unterschiedliche Messmethoden zu kombinieren. Während der Kalibrier-Anregungspuls ein breites, von dessen Pulsform abhängiges Frequenzspektrum abdeckt, wird in jedem Messschritt mit einer festen Anregungsfrequenz gearbeitet. Die Frequenz der jeweiligen Anregung spielt in der aktiven Thermografie eine entscheidende Rolle, da sich aus der Frequenz die hiermit untersuchbare Tiefenlage ergibt. Der Zusammenhang zwischen Frequenz f und Tiefenlage d lässt sich wie folgt abschätzen: $d = \sqrt{\frac{α}{π f}},$
wobei α die Temperaturleitfähigkeit des Materials des Objekts darstellt.
In dem Kalibrierschritt können aufgrund des breiten Frequenzspektrums des Kalibrier-Anregungspulses eine Vielzahl unterschiedlicher Tiefenlagen in dem Objekt untersucht werden. Diese Untersuchung ermöglicht es die Tiefenlage von inneren Strukturen und/oder Grenzflächen abzuschätzen. Zu den einzelnen inneren Strukturen und/oder Grenzflächen kann hierdurch eine Frequenz ermittelt werden, die sich zur Untersuchung der jeweiligen Tiefenlage in den sich anschließenden Messschritten optimal eignet. Die Verwendung des periodischen Anregungssignals ermöglicht eine genaue und eindeutige Überprüfung der jeweiligen Tiefenlage mit einem sehr hohen Signal-zu-Rausch-Verhältnis. Die Kombination aus Kalibrierschritt und darauffolgenden Messschritten hat daher den Vorteil, die Untersuchung der relevanten Tiefenlagen mit hoher Genauigkeit durchzuführen, ohne dass unnötige Messschritte für Tiefenlagen ohne innere Strukturen und/oder Grenzflächen durchgeführt werden müssen. Das resultierende Verfahren ist effizient und genau.
Durch das Einstrahlen des Kalibrier-Anregungspulses wird die Oberfläche des Objekts erwärmt. Aufgrund dieser Erwärmung entsteht ein Wärmestrom, der sich von der Oberfläche aus in das Innere des Objekts ausbreitet. Der Wärmestrom fließt insbesondere senkrecht zu der Oberfläche ins Innere des Objekts. An inneren Strukturen des Objekts und/oder Grenzflächen, beispielsweise am Übergang zwischen einer Beschichtung und einem beschichtetem Substrat, wird der Wärmestrom reflektiert und läuft zurück in Richtung der Oberfläche. Erreicht der reflektierte Wärmestrom wieder die Oberfläche führt dies zu einer Variation der Oberflächentemperatur, nämlich zu einer Temperaturerhöhung in denjenigen Bereichen, in denen der reflektierte Wärmestrom auf die Oberfläche trifft. Durch die Detektion des Kalibrier-Verlaufs der Oberflächentemperatur können anhand derartiger Variationen der Oberflächentemperatur innere Strukturen und/oder Grenzflächen des Objekts aufgefunden werden. Die Zeitdifferenz zwischen Einstrahlen des mindestens einen Kalibrier-Anregungspulses und dem Auftreten einer Temperaturerhöhung aufgrund des reflektierten Wärmestroms lässt Rückschlüsse auf die Tiefenlage der jeweiligen inneren Strukturen und/oder Grenzflächen zu, woraus wiederum die jeweilige Anregungsfrequenz ermittelt werden kann. Auf diese Weise kann zu jeder im Kalibrier-Verlauf erkennbaren inneren Struktur und/oder Grenzfläche eine Anregungsfrequenz bestimmt werden, welche dann zur genauen Charakterisierung und Vermessung der jeweiligen inneren Struktur und/oder Grenzfläche in den folgenden Messschritten verwendet wird.
Zur Durchführung des Kalibrierschritts wird in der Regel genau ein Kalibrier-Anregungspuls auf die Oberfläche des Objekts eingestrahlt. In manchen Fällen kann auch vorgesehen sein, dass eine Mehrzahl von Kalibrier-Anregungspulsen kurz nacheinander auf das Objekt eingestrahlt wird, um den Energieübertrag zu erhöhen.
Auch die Anregungssignale der einzelnen Messschritte führen zu einem Energieübertrag auf die Oberfläche des Objekts und somit zu einer Temperaturerhöhung. Wiederum bilden sich Wärmeströme innerhalb des Objekts aus, die an den inneren Strukturen und/oder Grenzflächen des Objekts reflektiert werden. Das periodische Anregungssignal eignet sich daher für die Durchführung der Lock-in-Thermografie. Aufgrund der Periodizität der Anregungssignale mit der jeweiligen Anregungsfrequenz kann hierbei die Tiefenlage, die der jeweiligen Anregungsfrequenz entspricht, mit einem hohen Signal-zu-Rausch-Verhältnis untersucht werden. Die Anregungssignale entsprechen bevorzugt sinusförmigen Schwingungen.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können innere Strukturen auf deren Existenz und Lage hin überprüft werden. So kann beispielsweise das Auftreten von Fehlstellen und gegebenenfalls deren Größe und deren Einfluss auf die Stabilität des Objekts untersucht werden. Andererseits können auch gewollte innere Strukturen, wie beispielsweise Kavitäten, auf deren Existenz und/oder deren korrekte Lage hin überprüft werden. Außerdem ist möglich, die Schichtdicke des gesamten Objekts zu vermessen, da der in dem Objekt erzeugte Wärmestrom auch an einer der Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche reflektiert wird. Auf diese Weise kann untersucht werden, ob das Objekt die gewünschte Schichtdicke und/oder die gewünschte Schichtdickenhomogenität aufweist. Die Schichtdickenmessung kann auch mit innenliegenden Grenzflächen erfolgen, beispielsweise zur Vermessung der Schichtdicke einer Beschichtung.
Der Kalibrier-Anregungspuls und/oder die Anregungssignale können in Form von elektromagnetischen Wellen oder Ultraschall auf die Oberfläche eingestrahlt werden. Als vorteilhaft haben sich hierbei elektromagnetische Wellen erwiesen, da diese ohne ein Kopplungsmedium auf die Oberfläche eingestrahlt werden können. Zur Erzeugung des Kalibrier-Anregungspulses und/oder der Anregungssignale können beispielsweise Blitzlampen, Heizstrahler, Laser, insbesondere Infrarotlaser, Leuchtdioden oder Mikrowellenstrahler eingesetzt werden. Zudem können der Kalibrier-Anregungspuls und/oder die Anregungssignale auch durch Induktionsanregung mittels stromdurchflossenen Leitern auf die Oberfläche des Objekts eingestrahlt werden. Insbesondere für die Erzeugung des Kalibrier-Anregungspulses haben sich Blitzlampen in der Thermografie als praktikabel erwiesen. Die Detektion des zeitlichen Kalibrier-Verlaufs beziehungsweise des Verlaufs der Oberflächentemperatur kann mit Infrarotkameras, insbesondere mit Mikrobolometern erfolgen.
Ein Verfahren nach Anspruch 2 ist besonders genau und effizient. Durch die unabhängige Auswertung des Kalibrier-Verlaufs der Oberflächentemperatur für unterschiedliche Bereiche der Oberfläche des Objekts wird im Kalibrierschritt nicht nur die jeweilige Tiefenlage, sondern auch die Position möglicher innerer Strukturen und/oder Grenzflächen erkennbar. Bevorzugt erfolgt die Auswertung des Kalibrier-Verlaufs pixelweise. Dies bedeutet, dass einzelne Pixel des für die Detektion des Kalibrier-Verlaufs verwendeten Detektors unabhängig voneinander ausgewertet werden. Dies gewährleistet die höchstmögliche räumliche Auflösung im Kalibrierschritt.
Ein Verfahren nach Anspruch 3 ist besonders effizient. Aufgrund von Messungenauigkeiten und/oder geringfügig variierenden Tiefenlagen der inneren Strukturen und/oder Grenzflächen wird in dem Kalibrierschritt in einigen Fällen eine Vielzahl unterschiedlicher Frequenzen ermittelt. Die Durchführung der Messschritte für jede dieser Frequenzen wäre aufwendig, ohne dass hierdurch ein nennenswerter zusätzlicher Informationsgewinn erzielt werden kann. Durch die Einteilung der bei der Auswertung des Kalibrier-Verlaufs ermittelten Frequenz in unterschiedliche Frequenzbereiche werden geringfügige Messungenauigkeiten und/oder Tiefenlagenschwankungen nicht berücksichtigt. Jedem Frequenzbereich wird dann eine eindeutige Anregungsfrequenz zugeordnet, über welche eine Vermessung der relevanten Tiefenlagen mit ausreichender Genauigkeit gewährleistet ist. Die Größe der Frequenzbereiche kann beispielsweise anhand der zu erwarteten, noch tolerierbaren Schichtdickenschwankungen erfolgen.
Die Zuordnung der ermittelten Frequenzen zu einer jeweiligen Anregungsfrequenz erfolgt besonders einfach, indem die ermittelten Frequenzen mit einer die jeweiligen Frequenzbereiche definierenden Rundungsgenauigkeit gerundet werden.
Ein Verfahren nach Anspruch 4 ist effizient und genau. Die Auswertung im Frequenzraum kann erfolgen, indem der zeitliche Kalibrier-Verlauf zu einem Kalibrier-Spektrum fouriertransformiert wird. Aus dem Kalibrier-Spektrum können die relevanten Anregungsfrequenzen einfach ausgelesen werden.
Bevorzugt wird das Kalibrier-Spektrum in Form einer Phasenkontrast-Kurve ausgewertet. Die Phasenkontrast-Kurve zeigt ein lokales Minimum, bei der Frequenz, die der Tiefenlage einer möglichen inneren Struktur und/oder Grenzfläche entspricht. Die Fouriertransformation und Auswertung der Phasenkontrast-Kurve kann für alle Pixel eines Detektors einzeln erfolgen.
Ein Verfahren nach Anspruch 5 ermöglicht es, die Anregungsfrequenz flexibel und genau zu wählen. Das Anregungssignal kann sich aus einer geeigneten Trägerfrequenz und der hierauf aufmodulierten Anregungsfrequenz zusammensetzen. Hierdurch kann die Trägerfrequenz beliebig gewählt und das Anregungssignal durch Modulation an die jeweilige Anregungsfrequenz angepasst werden. Beispielsweise kann eine Anregungsfrequenz von einigen mHz auf Infrarotlaserstrahlung aufmoduliert werden. Zur Modulation bieten sich insbesondere die Frequenz-, die Phasen- oder die Amplitudenmodulation an.
Ein Verfahren nach Anspruch 6 ermöglicht eine genaue und eindeutige Messung. Mit ansteigender Anzahl von Perioden der Anregungsfrequenz in dem jeweiligen Anregungssignal wird das Frequenzspektrum des Anregungssignals schmalbandiger. Je schmalbandiger das Frequenzspektrum ist, desto genauer spiegelt das Anregungssignal die definierte Anregungsfrequenz wider. Das Anregungssignal entspricht im Wesentlichen dem Signal bei der Lock-in-Thermografie, insbesondere der amplituden- oder frequenzmodulierten Lock-in-Thermografie.
Besonders bevorzugt weisen die Anregungssignale aller Messschritte genau gleich viele Perioden der jeweiligen Anregungsfrequenz auf. Dies ermöglicht miteinander vergleichbare Ergebnisse der jeweiligen Messschritte.
Ein Verfahren nach Anspruch 7 ist flexibel. Aufgrund der Parametrisierung wird das kontinuierliche Anregungssignal durch eine zeitdiskrete Sequenz von Anregungspulsen ersetzt. Dies hat den Vorteil, dass das Anregungssignal unabhängig von der Anregungsfrequenz erzeugt werden kann. Insbesondere kann das Anregungssignal durch die gleichen Anregungsquellen wie der mindestens eine Kalibrier-Anregungspuls erzeugt werden. Hierdurch ist der Rüstaufwand des Verfahrens verringert. Die Anregungssignale der einzelnen Messschritte können beispielsweise mit Blitzlampen erzeugt werden. Hierzu kann der periodische Verlauf, insbesondere der sinusförmige Verlauf des Anregungssignals durch einzelne zeitdiskrete Anregungspulse mit an die jeweilige Amplitude des Anregungssignals angepassten Pulsamplituden erfolgen. Zur Erzeugung unterschiedlicher Pulsamplituden können die Blitzlampen mit variierender Steuerspannung angesteuert werden.
Ein Verfahren nach Anspruch 8 ermöglicht eine genaue und eindeutige Parametrisierung der periodischen, insbesondere sinusförmigen Anregungssignale durch zeitdiskrete Anregungspulse. Die Anregungspulse haben einen Zeitabstand, der wesentlich kleiner ist als die der Anregungsfrequenz entsprechende Periodendauer. Bevorzugt beträgt die Abtastfrequenz der Anregungspulse mindestens das Fünffache der jeweiligen Anregungsfrequenz. Die Abtastfrequenz kann vorteilhafterweise maximal das Zehnfache der jeweiligen Abtastfrequenz betragen. Der Zeitabstand der Anregungspulse ist insbesondere groß genug, dass Totzeiten, wie sie beispielsweise zum Laden von Blitzlampen zwischen einzelnen Anregungspulsen nötig sind, keine Auswirkungen auf das Verfahren haben. Bevorzugt entspricht die Abtastfrequenz für alle Messschritte einem festen Faktor der jeweiligen Anregungsfrequenz. Somit ist gewährleistet, dass die Anregungssignale unabhängig von deren Anregungsfrequenz durch die gleiche Anzahl von Anregungspulsen parametrisiert werden. Besonders bevorzugt entspricht die Abtastfrequenz in allen Messschritten im Wesentlichen der fünffachen jeweiligen Anregungsfrequenz. Derartige Abtastfrequenzen haben sich als besonders praktikabel erwiesen.
Ein Verfahren nach Anspruch 9 ist besonders effizient. Die gleichzeitige Durchführung der Messschritte von mindestens zwei unterschiedlichen Anregungsfrequenzen ermöglicht die Vermessung verschiedener Tiefenlagen in kurzer Zeit. Die gleichzeitige Durchführung der Messschritte kann beispielsweise durch das Einstrahlen unterschiedlicher Anregungssignale auf verschiedene Bereiche der Oberfläche folgen. So kann beispielsweise auf einem Bereich der Oberfläche, unter welchem eine innere Struktur mit einer ersten Tiefenlage detektiert wurde, ein Anregungssignal mit einer der ersten Tiefenlage entsprechenden ersten Anregungsfrequenz eingestrahlt werden. Gleichzeitig kann in einem weiteren Bereich, mit einer inneren Struktur in einer zweiten Tiefenlage ein Anregungssignal mit einer der zweiten Tiefenlage entsprechenden zweiten Anregungsfrequenz eingestrahlt werden.
Ein Verfahren nach Anspruch 10 ist besonders einfach und effizient durchführbar. Eine Superposition der mindestens zwei Anregungssignale ermöglicht eine gleichzeitige Vermessung der jeweiligen Anregungsfrequenzen mit räumlichem Überlapp. Vorteilhafterweise können die Anregungssignale mit einem gemeinsamen Sender erzeugt und auf die Oberfläche eingestrahlt werden. Die Detektion und Auswertung des zeitlichen Verlaufs der Oberflächentemperatur erfolgt für beide Anregungsfrequenzen gemeinsam. Die Trennung der den jeweiligen Anregungsfrequenzen und damit den jeweiligen Tiefenlagen entsprechenden Signalen kann beispielsweise durch Fouriertransformation des gemeinsamen, aufgezeichneten Verlaufs erfolgen.
Ein Verfahren nach Anspruch 11 ermöglicht zuverlässige und vergleichbare Messungen. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Messschritte für unterschiedliche Anregungsfrequenzen zeitgleich, insbesondere mit superpositionierten Anregungssignalen, erfolgen. Die frequenzabhängige Gewichtung kann frequenzabhängige Effekte bei der Einstrahlung der Anregungsfrequenzen ausgleichen. Beispielsweise können Anregungssignale mit kleiner Anregungsfrequenz mehr Energie in das Objekt einbringen, als entsprechende Anregungssignale mit großer Anregungsfrequenz. Die Gewichtung der Anregungssignale hat zudem den Vorteil, dass eine Frequenzabhängigkeit des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses ausgeglichen wird. Als besonders geeignet hat sich erwiesen, die Anregungssignale durch Multiplikation mit der jeweiligen Anregungsfrequenz zu gewichten.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur genauen und effektiven zerstörungsfreien Prüfung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den in Anspruch 12 angegebenen Merkmalen. Die Vorrichtung umfasst mindestens einen Detektor zur Detektion eines zeitlichen Temperaturverlaufs und mindestens eine Anregungsquelle zur Erzeugung von Anregungen. Zudem ist eine Auswerteelektronik vorhanden, welche zur Durchführung des erfindungsgemäßen Prüfverfahrens ausgelegt ist.
Der Detektor ist insbesondere als Infrarotkamera ausgeführt, sodass der zeitliche Temperaturverlauf der Oberflächentemperatur des zu prüfenden Objekts auf einfache Weise aufgezeichnet werden kann. Hierdurch ist eine räumlich hochaufgelöste Detektion und Auswertung der Oberflächentemperatur möglich. Besonders bevorzugt deckt das Gesichtsfeld des Detektors die gesamte der Vorrichtung zugewandte Oberfläche des Objekts ab. Besonders bevorzugt ist der Detektor als Mikrobolometer ausgeführt.
Als Anregungsquellen kommen die oben in Bezug auf das Verfahren beschriebenen Anregungsquellen in Betracht.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 13 ist kostengünstig. Besonders bevorzugt sind alle Anregungsquellen der Vorrichtung sowohl zum Einstrahlen des mindestens einen Kalibrier-Anregungspulses als auch zum Einstrahlen des Anregungssignals des mindestens einen Messschritts verwendbar. Die gemeinsame Anregungsquelle kann bevorzugt als mindestens eine Blitzlampe ausgeführt sein. Durch das Vorsehen mindestens einer gemeinsamen Anregungsquelle ist der Rüstaufwand zur Durchführung des Prüfverfahrens verringert.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 14 ist flexibel einsetzbar. Durch das Vorsehen unterschiedlicher Anregungsquellen können sowohl zum Einstrahlen des mindestens einen Kalibrier-Anregungspulses also zum Einstrahlen des Anregungssignals, insbesondere des kontinuierlichen Anregungssignals, des mindestens einen Messschritts optimal geeignete Anregungsquellen verwendet werden.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 15 ist flexibel und vielseitig. Der modulare Aufbau kann insbesondere vorsehen, dass verschiedene Anregungsquellen mit der Auswerteelektronik kombiniert werden können. Hierdurch kann die Vorrichtung an unterschiedliche Prüfobjekte angepasst werden, beispielsweise wenn unterschiedliche Eindringtiefen des Wärmestroms benötigt werden. Durch die flexible Auswahl und Kombination einzelner Komponenten der Vorrichtung können auch unterschiedliche Materialparameter des zu prüfenden Objekts berücksichtigt werden. Auch ist ein leichter Austausch defekter Komponenten möglich, was den Rüstaufwand und die Wartungskosten verringert.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Ausführungsbeispielen und den zugehörigen Figuren. Es zeigen:

1 einen schematischen Messaufbau mit einer Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung eines Objekts,
2 einen schematischen Verfahrensablauf zur zerstörungsfreien Prüfung des Objekts,
3 bei der Auswertung eines Kalibrierschritts des Verfahrens nach 2 erhaltene Kalibrier-Spektren,
4 kontinuierliche Anregungssignale für die Durchführung je eines Messschritts des Verfahrens nach 2,
5 eine zeitdiskrete Parametrisierung der Anregungssignale gemäß 4, und
6 eine Pulssequenz, in der die zeitdiskret parametrisierten Anregungssignale gemäß 5 gemäß einer jeweiligen Anregungsfrequenz gewichtet miteinander überlagert sind.

1 ist eine schematische Darstellung eines Messaufbaus zur zerstörungsfreien Prüfung eines Objekt 1 mit Hilfe einer Vorrichtung 2.
Das Objekt 1 ist aus einem Material mit einer Temperaturleitfähigkeit α. Das Objekt 1 ist beispielsweise ein Kunststoffbauteil. Das Objekt 1 weist eine der Vorrichtung 2 zugewandte Oberfläche 3 auf. Innerhalb des Objekts 1 sind innere Strukturen X_i vorhanden, wobei der Index i die verschiedenen inneren Strukturen durchnummeriert. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Objekt 1 drei innere Strukturen X_i (i=1,2,3) auf. Bei den inneren Strukturen X_i handelt es sich um Fehlstellen. Die inneren Strukturen X_i weisen eine Tiefenlage d_i unter der Oberfläche 3 des Objekts 1 auf. Parallel zu der Oberfläche 3 weisen die Fehlstellen X_i eine Ausdehnung a_i auf. Bei der Prüfung des Objekts 1 können die Fehlstellen X_i identifiziert und deren Lage bestimmt werden.
Die Vorrichtung 2 weist Anregungsquellen 4 in Form von Blitzlampen und einen Detektor 5 auf. Der Detektor 5 ist eine als Mikrobolometer ausgeführte Infrarotkamera. Wie in 1 durch gestrichelte Linien dargestellt ist, deckt das Gesichtsfeld des Detektors 5 die gesamte, der Vorrichtung 2 zugewandte Oberfläche 3 des Objekts 1 ab. Der Detektor 5 ist hierzu mittig gegenüber der Oberfläche 3 angeordnet. Die Blitzlampen 4 sind symmetrisch um den Detektor 5 angeordnet. Hierdurch ist eine gleichmäßige Ausleuchtung und Anregung der Oberfläche 3 durch die Blitzlampen 4 gewährleistet. Alternativ kann die Vorrichtung 2 auch nur eine Anregungsquelle 4 aufweisen.
Die Blitzlampen 4 und der Detektor 5 sind mit einer Auswerteelektronik 6 in signal- und datenübertragender Weise verbunden. Die Auswerteelektronik 6 steuert die Blitzlampen 4 und den Detektor 5 an. Zudem wertet die Auswerteelektronik 6 von dem Detektor 5 empfangene Daten aus. Die Auswerteelektronik 6 weist eine Schnittstelle 7 auf. Über die Schnittstelle 7 können Eigenschaften des Objekts 1, beispielsweise dessen Temperaturleitfähigkeit α, und/oder weitere Prüfparameter, beispielsweise zu prüfende Strukturen oder Tiefenlagen, an die Auswerteelektronik 6 übermittelt werden. Zudem können Ergebnisse der Prüfung über die Schnittstelle 7 ausgelesen und/oder einem Nutzer angezeigt werden.
Mit Hilfe der Blitzlampen 4 kann Energie auf das Objekt 1 übertragen werden. Hierzu können die Blitzlampen 4 Anregungspulse I auf die Oberfläche 3 des Objekts 1 einstrahlen. Durch die Anregungspulse I wird die Oberfläche 3 des Objekts 1 angeregt, wodurch sich die Oberflächentemperatur des Objekts 1 sprunghaft erhöht. Aufgrund der erhöhten Oberflächentemperatur wird ein Wärmestrom Q in dem Objekt 1 erzeugt. Der Wärmestrom Q ist in 1 durch von der Oberfläche 3 ins Innere des Objekts 1 weisende Pfeile symbolisiert.
In Bereichen des Objekts 1 ohne Fehlstelle oder sonstige innere Struktur kann der Wärmestrom Q das Objekt 1 ungestört durchlaufen. Trifft der Wärmestrom Q jedoch auf eine der Fehlstellen X_i , wird der Wärmestrom Q bei Erreichen der Fehlstelle X_i zumindest teilweise reflektiert und läuft als ein reflektierter Wärmestrom Q' zurück an die Oberfläche 3. Die reflektierten Wärmeströme Q' sind in 1 als aus dem Inneren des Objekts 1 zu der Oberfläche 3 hinweisende Pfeile dargestellt. Wenn der reflektierte Wärmestrom Q' die Oberfläche 3 erreicht, ändert beziehungsweise erhöht sich die Oberflächentemperatur in einem Oberflächenbereich, in dem der Wärmestrom Q' auftritt, d.h. in einem Bereich, der der lateralen Ausdehnung a_i der Fehlstelle X_i entspricht. Da sich die Wärmeströme Q, Q' innerhalb des Objekts mit einer von dem Material des Objekts abhängigen Ausbreitungsgeschwindigkeit ausbreiten, hängt der Zeitpunkt der lokalen Erhöhung der Oberflächentemperatur aufgrund des reflektierten Wärmestroms Q' von der jeweiligen Tiefenlage d_i ab. Je größer die Tiefenlage d_i ist, desto größer ist der Zeitabstand zwischen dem Anregungspuls I und der lokalen Erhöhung der Oberflächentemperatur in einem der lateralen Ausdehnung a_i der Fehlstelle X_i entsprechenden Bereich der Oberfläche 3. Aufgrund von Wärmedissipation ist auch die Amplitude der lokalen Temperaturerhöhung abhängig von der jeweiligen Tiefenlage d_i .
Immer wenn ein von einer Fehlstelle X_i reflektierter Wärmestrom Q' die Oberfläche 3 erreicht, ist dies als Änderung des zeitlichen Verlaufs der Oberflächentemperatur detektierbar. Der Detektor 5 detektiert den zeitlichen Verlauf der Oberflächentemperatur der Oberfläche 3 des Objekts 1 räumlich aufgelöst. Der detektierte zeitliche Verlauf der Oberflächentemperatur wird von dem Detektor 5 an die Auswerteelektronik 6 weitergeleitet. Die lokale Erhöhung der Oberflächentemperatur wird durch die Auswerteelektronik 6 ausgewertet, wodurch die Fehlstelle X_i detektiert und/oder vermessen werden kann.
Das Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung des Objekts 1 mit Hilfe der Vorrichtung 2 wird anhand der 2 bis 6 näher beschrieben. In 2 ist ein schematischer Verfahrensablauf zur zerstörungsfreien Prüfung dargestellt.
Zunächst wird das Objekt 1 mit der Oberfläche 3 in einen Bereitstellungsschritt 10 bereitgestellt. Der Bereitstellungsschritt 10 kann die Fertigung des Objekts 1 umfassen. Im Bereitstellungsschritt 10 können auch Eigenschaften des Objekts 1 und/oder weitere Messparameter mittels der Schnittstelle 7 an die Auswerteelektronik 6 übergeben werden.
An den Bereitstellungsschritt 10 schließt sich ein Kalibrierschritt 11 an. Während des Kalibrierschritts 11 wird in einem Kalibrier-Detektionsschritt 12 ein zeitlicher Kalibrier-Verlauf der Oberflächentemperatur der Oberfläche 3 detektiert. Während des Kalibrier-Detektionsschritts 12 wird in einem Kalibrier-Einstrahlschritt 13 ein Kalibrier-Anregungspuls in Form eines einzelnen Anregungspuls I auf die Oberfläche 3 des Objekts 1 eingestrahlt. Der im Kalibrier-Detektionsschritt 12 detektierte Kalibrier-Verlauf zeigt daher die Änderungen der Oberflächentemperatur des Objekts 1 aufgrund der im Kalibrier-Einstrahlschritt 13 eingebrachten Wärmeenergie. Der Kalibrier-Verlauf weist insbesondere die aufgrund der reflektierten Wärmeströme Q' erzeugten lokalen Temperaturerhöhungen auf.
Der während des Kalibrier-Detektionsschritts 12 detektierte zeitliche Kalibrier-Verlauf der Oberflächentemperatur wird an die Auswerteelektronik 6 übertragen und dort in einem Kalibrier-Auswerteschritt 14 ausgewertet. Die Auswertung des zeitlichen Kalibrier-Verlaufs erfolgt für verschiedene Bereiche der Oberfläche 3 unabhängig. Hierzu werden die mit Hilfe der einzelnen Pixel des Detektors 5 aufgezeichneten Daten unabhängig voneinander ausgewertet. Für jeden Pixel des Detektors 5 wird also der hiermit aufgezeichnete Kalibrier-Verlauf separat ausgewertet.
Mit Hilfe des Kalibrier-Auswerteschritts 14 werden den Tiefenlagen d_i entsprechende Frequenzen f_i bestimmt. Der Zusammenhang zwischen Tiefenlage d_i und zugehöriger Frequenz f_i lässt sich mit Hilfe der folgenden Formel abschätzen: $d_{i} = \sqrt{\frac{\propto}{π f_{i}}},$
wobei α die Temperaturleitfähigkeit des Objekts ist.
Zur Bestimmung der Frequenz f_i hat sich die Auswertung des Kalibrier-Verlaufs im Frequenzraum als praktikabel erwiesen. Hierzu wird der zeitliche Kalibrier-Verlaufje Pixel fouriertransformiert. Man erhält je Pixel des Detektors 5 ein frequenzabhängiges Kalibrier-Spektrum K_i . Mit Hilfe bekannter Auswertetechniken kann das Kalibrier-Spektrum K_i in Form einer Phasenkontrast-Kurve ausgewertet werden, in der der bei der Fouriertransformation bestimmte Phasenwinkel φ über der Frequenz f aufgetragen wird.
In 3 sind Kalibrier-Spektren K_i in Form einer Phasenkontrast-Kurve für drei Pixel, die jeweils im Bereich einer der Fehlstellen X_i liegen, aufgetragen. Die Kalibrier-Spektren K_i spiegeln das Abkühlverhalten der Oberflächentemperatur der Oberfläche 3 nach Erwärmung durch den Kalibrier-Anregungspuls wider. Jedes der Kalibrier-Spektren K_i fällt für kleine Frequenzen zunächst steil ab, bildet ein Minimum aus und nähert sich dann asymptotisch einem mittleren Phasenkontrast-Wert an, der als durchgezogene, horizontale Linie in 3 dargestellt ist. Die Lage der Minima der Phasenkontrastkurven K_i ist charakteristisch für die Tiefenlage d_i der jeweiligen Fehlstelle X_i . Die der Lage der Minima der Kalibrier-Spektren K_i entsprechenden Frequenzen f_i eignen sich daher besonders gut zur Vermessung der jeweiligen Tiefenlage d_i , da der Phasenwinkel dort ein lokales Extremum aufweist. Die für die Durchführung der folgenden Messschritte zu verwendenden Frequenzen f_i können aus den Kalibrier-Spektren K_i daher direkt ausgelesen werden.
Die Kalibrier-Spektren K_i entsprechen dem detektierten Abkühlverhalten von Pixeln, die im Bereich der Störstellen X_i liegen. Das Kalibrier-Spektrum K₁ wurde daher für einen Oberflächenbereich der Oberfläche 3 bestimmt, der mit der lateralen Ausdehnung a₁ der Fehlstelle X₁ überlappt. Im dargestellten Beispiel beträgt die Tiefenlage d₁ der Fehlstelle X₁ einen Millimeter (d₁=1 mm). Die entsprechende Anregungsfrequenz f_i ist 50 mHz. Die Tiefenlage d₂ der Fehlstelle X₂ beträgt 1,5 mm. Die entsprechende Anregungsfrequenz f₂ ist 30 mHz. Der Tiefenlage d₃ = 2 mm der Fehlstelle X₃ entspricht die Anregungsfrequenz F₃ = 20 mHz. Bei der Durchführung des Prüfungsverfahrens sind die Tiefenlagen d_i möglicher Fehlstellen X_i nicht von vorneherein bekannt. In der Praxis werden daher die Frequenzen f_i der Minima der Kalibrier-Spektren K_i eines jeden Pixels ausgelesen und hieraus Rückschlüsse auf die Tiefenlagen d_i möglicher Fehlstellen X_i gezogen.
In 3 sind der Übersichtlichkeit halber nur die Kalibrier-Spektren K_i einzelner Pixel gezeigt. Die Kalibrier-Spektren weiterer Pixel im Bereich der jeweiligen Fehlstellen X_i entsprechen den dargestellten Kalibrier-Spektren K_i weitestgehend. Aufgrund von Messungenauigkeiten und Tiefenlagenschwankungen im Bereich der Fehlstellen X_i weisen die Frequenzen der Minima der weiteren, nicht dargestellten Kalibrier-Spektren Schwankungen auf. Zur Bestimmung eindeutiger Anregungsfrequenzen f_i werden die aus den Kalibrier-Spektren K_i ausgelesenen Frequenzen in unterschiedliche Frequenzbereiche eingeteilt und jedem Frequenzbereich eine eindeutige Anregungsfrequenz f_i zugeordnet. Beispielsweise können die ermittelten Frequenzen gerundet werden. Die Rundungsgenauigkeit kann an tolerierbare Messungenauigkeiten angepasst werden.
An den Kalibrierschritt 11 schließt sich die eigentliche Messung 15 an. In der Messung 15 werden verschiedene Messschritte durchgeführt, in denen jeweils eine der im Kalibrier-Auswerteschritt 14 des Kalibrierschritts 11 bestimmten Anregungsfrequenzen f_i vermessen wird. Dies kann prinzipiell erfolgen, indem in getrennten Messschritten jeweils kontinuierliche Anregungssignale S_i mit der jeweiligen Anregungsfrequenz f_i auf die Oberfläche 3 des Objekts 1 eingestrahlt werden und der zeitliche Verlauf der Oberflächentemperatur detektiert und ausgewertet wird. In den einzelnen Messschritten wird hierüber eine separate Lock-in-Messung mit der jeweiligen Anregungsfrequenz f_i durchgeführt. Entsprechende kontinuierliche Anregungssignale S_i sind in 4 dargestellt. Die Anregungssignale S_i sind Sinusschwingungen deren Amplitude A in 4 über die Zeit t aufgetragen ist. Mit Hilfe der Lock-in-Messung mit einer Frequenz f_i können die inneren Strukturen des Objekts 1 in der der Frequenz f_i entsprechenden Tiefenlage d_i mit einem hohen Signal-zu-Rausch-Verhältnis detektiert und vermessen werden.
Zur Erzeugung der in 4 dargestellten kontinuierlichen Anregungssignale S_i bedarf es einer Anregungsquelle für kontinuierliche Strahlung, beispielsweise eines amplitudenmodulierten Lasers. In diesem Fall kann die Anregungsfrequenz f_i auf die vom Laser emittierte Trägerfrequenz aufmoduliert werden. Die beispielhafte Vorrichtung 2 weist jedoch keine derartigen Anregungsquellen auf. In diesem Fall wird die Messung 15 in einer wie folgt beschriebenen, vorteilhaften Weise ebenfalls mit Hilfe der Blitzlampen 4 durchgeführt:
Zunächst wird ein Parametrisierungsschritt 16 durchgeführt. In dem Parametrisierungsschritt 16 werden die kontinuierlichen Anregungssignale S_i durch einzelne Anregungspulse parametrisiert. Zur Parametrisierung der kontinuierlichen Anregungssignale S_i werden diese durch zeitdiskrete Abtastpunkte 17 dargestellt, wie dies in 5 gezeigt ist. Die einem bestimmten Anregungssignal S_i zugehörigen zeitdiskreten Abtastpunkte 17 sind mit unterschiedlichen Symbolen dargestellt. Die einzelnen zeitdiskreten Abtastpunkte 17 sind durch einzelne Anregungspulse I realisierbar. Hierzu wird die Amplitude der entsprechenden Anregungspulse I entsprechend der Amplitude A des jeweiligen, zu realisierenden Abtastpunkts 17 angepasst. Die Auswerteelektronik 6 gibt für den jeweiligen Anregungspuls I eine entsprechende Pulsspannung vor, mit dem die Blitzlampen 4 betrieben werden. Für eine zuverlässige Parametrisierung muss die Abtastfrequenz ν_i = 1/T_i mindestens das Doppelte der jeweiligen Anregungsfrequenz f_i der kontinuierlichen Anregungssignale S_i betragen. T_i ist der zeitliche Abstand von aufeinanderfolgenden Abtastpunkten 17 eines Anregungssignals S_i . Zudem muss berücksichtigt werden, dass die Blitzlampen 4 aufgrund von Totzeiten zwischen einzelnen Anregungspulsen I nicht mit beliebig hoher Frequenz betrieben werden können. Daher sollte die Abtastfrequenz v_i nicht höher als das Zehnfache der jeweiligen Anregungsfrequenz f_i gewählt werden. In dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die Abtastfrequenz ν_i jeweils das Fünffache der Anregungsfrequenz f_i .
Um vergleichbare Messungen zu erhalten, weisen alle zeitdiskret parametrisierten Anregungssignale S_i die gleiche Anzahl von Perioden der jeweiligen Anregungsfrequenz f_i auf. Wie in 4 dargestellt weist jedes der Anregungssignale S_i drei Perioden der jeweiligen Anregungsfrequenz f_i auf.
Mit Hilfe der Blitzlampen 4 können nun prinzipiell die einzelnen zeitdiskret parametrisierten Anregungssignale S_i in getrennten Messschritten auf die Oberfläche 3 des Objekts 1 eingestrahlt werden. In diesem Fall würden die einzelnen Messschritte sequentiell durchgeführt werden. Zur Verkürzung der Verfahrensdauer werden bei dem in 2 dargestellten Verfahren die Messschritte zeitgleich für alle Anregungsfrequenzen f_i durchgeführt. Hierfür werden die zeitdiskret parametrisierten Anregungssignale S_i in einem Superpositionierschritt 18 miteinander überlagert.
Bei der Superposition der zeitdiskret parametrisierten Anregungssignale S_i ist zu beachten, dass Anregungssignale S_i mit kleiner Anregungsfrequenz f_i deutlich mehr Energie in das Objekt 1 einbringen können als die entsprechende Anzahl von Perioden einer höheren Anregungsfrequenz f_i . Daher werden die Anregungsamplituden A der jeweiligen Anregungssignale S_i vor der Superposition mit einem frequenzabhängigen Faktor gewichtet. Um dies zu erzielen, werden die Amplituden A der Abtastpunkte 17 der einzelnen Anregungssignale S_i mit dem Faktor f_i gewichtet, wie dies in 6 dargestellt ist.
Die Gewichtung der Anregungssignale S_i hat zudem den Vorteil, dass eine Frequenzabhängigkeit des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses ausgeglichen wird. Erfahrungsgemäß verändert sich das Signal-zu-Rausch-Verhältnis aufgrund eines von der Anregungsfrequenz abhängigen Rauschens, dem sogenannten 1/f-Rauschen. Das Signal-zu-Rausch-Verhältnis der aufgrund der jeweiligen Anregungssignale S_i gemessenen Messsignale wird daher durch die frequenzabhängige Gewichtung angeglichen.
Im Superpositionierschritt 18 werden die Abtastpunkte 17 unterschiedlicher Anregungssignale S_i zu einer einzelnen gemeinsamen Pulssequenz 19 zusammengefasst. Dies bedeutet, dass die in 6 mit unterschiedlichen Symbolen dargestellten Abtastpunkte 17 Teil der gemeinsamen Pulssequenz 19 sind. Es werden daher die in Richtung der Zeitachse t aufeinanderfolgenden Abtastpunkte nacheinander eingestrahlt, unabhängig davon, welchem Anregungssignal S_i der jeweilige Abtastpunkt 17 zugeordnet ist.
Die in 6 gezeigte mit dem Gewichtungsfaktor normierte Pulssequenz 19 wird zur Durchführung der eigentlichen Messung als Steuersignal von der Auswerteelektronik 6 an die Blitzlampen 4 übermittelt. Da die Pulssequenz 19 die unterschiedlichen zeitdiskret parametrisierten Anregungssignale S_i kombiniert, werden die entsprechenden Messschritte zeitgleich durchgeführt.
In einem Detektionsschritt 20 wird die Oberflächentemperatur mit Hilfe des Detektors 5 detektiert. Währenddessen wird in einem Anregungsschritt 21 mit Hilfe der Blitzlampen 4 die die einzelnen Anregungssignale S_i enthaltende Pulssequenz 19 auf die Oberfläche 3 eingestrahlt.
In dem Detektionsschritt 20 wird die sich in Änderungen der Oberflächentemperatur manifestierende Antwort des Objekts 1 auf den durch den Anregungsschritt 21 bewirkten Energieeintrag detektiert. Der Detektionsschritt 20 zeichnet insbesondere das Abkühlverhalten der Oberflächentemperatur nach Beendigung des Anregungsschritts 21 auf.
Der in dem Detektionsschritt 20 aufgezeichnete zeitliche Verlauf der Oberflächentemperatur wird von dem Detektor 5 an die Auswerteelektronik 6 übermittelt und von dieser in einem Auswerteschritt 22 ausgewertet. Hierbei wird der zeitliche Verlauf der Oberflächentemperatur wiederum für jeden Pixel des Detektors 5 separat zu einem Spektrum fouriertransformiert. In dem fouriertransformierten Spektrum liegen die Frequenzanteile, die den einzelnen in der Pulssequenz 19 kodierten Anregungsfrequenzen f_i entsprechen, wieder getrennt vor und können den unterschiedlichen, zu vermessenden Tiefenlagen d_i eindeutig zugeordnet werden. Mit Hilfe der unterschiedlichen Frequenzanteile kann daher eine genaue Analyse und/oder Kartierung der inneren Strukturen X_i des Objekts 1 in unterschiedlichen Tiefenlage d_i erfolgen. So kann beispielsweise ein Abbild der inneren Strukturen X_i aus den in den einzelnen Pixeln analysierten Frequenzanteilen erzeugt werden. Hierzu werden die unterschiedlichen Anregungsfrequenzen f_i und damit die unterschiedlichen Tiefenlagen d_i farblich unterschiedlich kodiert dargestellt. Anhand der Kenntnis der genauen inneren Strukturen X_i kann eine Qualitätsprüfung des Objekts erfolgen. Defekte Objekte können aussortiert werden.
Das Ergebnis des Auswerteschritts 22 kann in einem optionalen Ausgabeschritt 23 über die Schnittstelle 7 ausgegeben und/oder einem Nutzer angezeigt werden.
In weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen, können anstatt oder zusätzlich zu der Prüfung auf mögliche Fehlstellen weitere Eigenschaften des Objekts 1 überprüft werden. Beispielsweise kann die korrekte Ausbildung und Positionierung von gewollten inneren Strukturen in dem Objekt vermessen werden. Ein weiterer Anwendungsfall ist die Schichtdickenmessung. So werden die sich in dem Objekt 1 ausbreitenden Wärme ströme Q auch an Grenzflächen, beispielsweise an einer der Oberfläche 3 gegenüberliegenden Oberfläche reflektiert. Die an diesen Grenzflächen reflektierten, zurück zur Oberfläche 3 propagierenden Wärmeströme Q' werden bei der Detektion ebenfalls aufgezeichnet und lassen genaue Rückschlüsse über die Schichtdicke des Objekts 1 zu. Dies kann beispielsweise bei der Überprüfung der Schichtdicke einer Beschichtung erfolgen, wobei die Wärmeströme Q an einer Grenzfläche zwischen der Beschichtung und dem Substrat reflektiert werden.
Wie oben bereits erläutert, können die einzelnen Anregungssignalen in anderen, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen in zeitlich getrennten unabhängigen Messschritten auf die Oberfläche eingestrahlt werden und der jeweilige hieraus resultierende zeitliche Verlauf der Oberflächentemperatur detektiert werden. Es ist insbesondere auch möglich, dass die Anregungssignale S_i als kontinuierliche Anregungssignale, wie sie beispielsweise in 4 dargestellt sind, auf das Objekt 1 eingestrahlt werden. Zur Erzeugung der kontinuierlichen Anregungssignale f_i können die jeweiligen Anregungsfrequenzen f_i auf eine Trägerfrequenz, beispielsweise die Infrarotstrahlung eines Infrarotlasers, aufmoduliert werden. Dies kann mit Hilfe der Amplitudenmodulation oder der Frequenzmodulation erfolgen. In den Fällen, in denen die Messschritte mit kontinuierlichen Anregungssignalen S_i durchgeführt werden, weist die Vorrichtung zur Messung bevorzugt unterschiedliche Anregungsquellen für die Durchführung des Kalibrierschritts 11 und die Durchführung der Messung 15 auf.
Weitere, nicht dargestellte Ausführungsbeispiele unterscheiden sich in den verwendeten Anregungsquellen. Anstatt von Blitzlampen können hier beispielsweise Heizstrahler, Leuchtdioden oder Laser, insbesondere Infrarotlaser oder Mikrowellenerzeuger verwendet werden. Alternativ können auch Ultraschallwandler verwendet werden, die Ultraschallpulse und/oder periodische Ultraschallsignale auf die Oberfläche 3 einstrahlen. In anderen Fällen können auch stromdurchflossene Leiter zur Anregung der Oberfläche bei über Induktion verwendet werden.
In wiederum anderen, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Vorrichtung 2 modular ausgebaut. In diesen Fällen können unterschiedliche Anregungsquellen und Detektoren mit der Auswerteelektronik 6 verbunden werden. Auf diese Weise kann die Vorrichtung an die jeweils durchzuführende Prüfung, insbesondere an das zu prüfende Objekt und dessen Material angepasst werden.

Claims

Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Objekts mit den Schritten: - Bereitstellen eines Objekts (1) mit einer Oberfläche (3), - Durchführen eines Kalibrierschritts (11), wobei -- mindestens ein Kalibrier-Anregungspuls auf die Oberfläche (3) des Objekts (1) eingestrahlt wird zur Erzeugung eines Wärmestroms (Q) in dem Objekt (1), -- ein Kalibrier-Verlauf einer Oberflächentemperatur der Oberfläche (3) des Objekts (1) über die Zeit detektiert wird und -- der detektierte Kalibrier-Verlauf der Oberflächentemperatur ausgewertet wird zur Bestimmung mindestens einer Anregungsfrequenz (f_i), - Durchführen eines Messschritts je Anregungsfrequenz (f_i), wobei jeweils -- ein Anregungssignal (S_i) mit der jeweiligen Anregungsfrequenz (f_i) auf die Oberfläche (3) des Objekts (1) eingestrahlt wird zur Erzeugung eines Wärmestroms (Q) in dem Objekt (1), -- ein Verlauf der Oberflächentemperatur der Oberfläche (3) des Objekts (1) über die Zeit detektiert wird und -- der detektierte zeitliche Verlauf der Oberflächentemperatur ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kalibier-Verlauf der Oberflächentemperatur für unterschiedliche Bereiche der Oberfläche (3) des Objekts (1) unabhängig ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Auswertung des Kalibier-Verlaufs der Oberflächentemperatur ermittelte Frequenzen in unterschiedliche Frequenzbereiche eingeteilt werden, wobei jedem Frequenzbereich eine Anregungsfrequenz (f_i) zugeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kalibrier-Verlauf im Frequenzraum ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsfrequenz (f_i) auf das jeweilige Anregungssignal (S_i) aufmoduliert ist.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Anregungssignal (S_i) mindestens drei Perioden der jeweiligen Anregungsfrequenz (f_i) aufweist.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Anregungssignal (S_i) durch zeitdiskrete Anregungspulse parametrisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungspulse mit einer Abtastfrequenz eingestrahlt werden, die mindestens der zweifachen jeweiligen Anregungsfrequenz (f_i) entspricht.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei unterschiedliche Anregungsfrequenzen (f_i) vermessen werden, wobei die jeweiligen Messschritte gleichzeitig durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Superposition der mindestens zwei Anregungssignale (S_i) auf die Oberfläche (3) des Objekts (1) eingestrahlt wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude (a) des mindestens einen Anregungssignals (S_i) abhängig von der jeweiligen Anregungsfrequenz (f_i) gewichtet wird.
Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung eines Objekts, aufweisend - mindestens eine Anregungsquelle (4) zum Erzeugen von Anregungen, - mindestens einen Detektor (5) zur Detektion eines zeitlichen Temperaturverlaufs, - eine Auswerteelektronik (6), wobei die Auswerteelektronik (6) zur Durchführung eines Verfahrens zur Prüfung eines Objekts (1) mit den folgenden Schritten ausgelegt ist: - Durchführen eines Kalibrierschritts (11), wobei -- mindestens ein Kalibrier-Anregungspuls auf eine Oberfläche (3) des Objekts (1) mithilfe der mindestens einen Anregungsquelle (4) eingestrahlt wird zur Erzeugung eines Wärmestroms (Q) in dem Objekt (1), -- ein Kalibrier-Verlauf einer Oberflächentemperatur der Oberfläche (3) des Objekts (1) über die Zeit mithilfe des mindestens einen Detektors (5) detektiert wird und -- der detektierte Kalibrier-Verlauf der Oberflächentemperatur ausgewertet wird zur Bestimmung mindestens einer Anregungsfrequenz (f_i), - Durchführen eines Messschritts je Anregungsfrequenz (f_i), wobei jeweils -- ein Anregungssignal (S_i) mit der jeweiligen Anregungsfrequenz (f_i) auf die Oberfläche (3) des Objekts (1) mithilfe der mindestens einen Anregungsquelle (4) eingestrahlt wird zur Erzeugung eines Wärmestroms (Q) in dem Objekt (1), -- ein Verlauf der Oberflächentemperatur der Oberfläche (3) des Objekts (1) über die Zeit mithilfe des mindestens einen Detektors (5) detektiert wird, und -- der detektierte zeitliche Verlauf der Oberflächentemperatur ausgewertet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch mindestens eine gemeinsame Anregungsquelle (4) sowohl zum Einstrahlen des mindestens einen Kalibrier-Anregungspulses als auch zum Einstrahlen des Anregungssignals des mindestens einen Messschritts.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, gekennzeichnet durch unterschiedliche Anregungsquellen (4) zum Einstrahlen des mindestens einen Kalibrier-Anregungspulses und zum Einstrahlen des Anregungssignals des mindestens einen Messschritts.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, gekennzeichnet durch einen modularen Aufbau.