DE3217906A1

DE3217906A1 - Thermal wave generator for imaging thermal structures

Info

Publication number: DE3217906A1
Application number: DE19823217906
Authority: DE
Inventors: Gerd Dr. 8029 Sauerlach Busse; Adolf Friedrich Prof. Dr.-Phys. 4300 Essen Fercher
Original assignee: Fercher adolf Friedrich profdr-Phys
Current assignee: Fercher adolf Friedrich profdr-Phys
Priority date: 1982-05-12
Filing date: 1982-05-12
Publication date: 1983-11-17

Abstract

The invention relates to the generation of thermal waves for an imaging method, in which structures of objects are detected by their effects on the propagation of thermal waves. The thermal waves are generated by periodically feeding heat to and also removing it from the object (5). As a result, a net heating of the measurement object is avoided. One possible realisation of the method according to the invention consists in using a Peltier element (1) to generate the thermal wave. <IMAGE>

Description

Wärmewellengeber für die Abbildung thermischer StrukturenHeat wave transducer for mapping thermal structures

Die Brfindurlg betrifft die Erzeugung von Wärmewellen für ein Abbildungsverfahren, bei welchem Strukturen von Objekten durch ihre Auswirkung auf die Ausbreitung von Wärmewellen nachgewiesen werden. Bei diesen Strukturen handelt es sich um Bereiche unterschiedlicher Wärmeleitzahl und spezifischer Warmekapazität der den Gegenstand aufbauenden Stoffe. Der Nachweis der Wärmewellen kann durch abtastendes essen und Analyse der mit ihnen verbundenen periodischen Temperaturveränderungen der Objekte auf deren Oberfläche erfolgen.The search concerns the generation of heat waves for an imaging process, in which structures of objects by their effect on the spread of Heat waves can be detected. These structures are areas different thermal conductivity and specific heat capacity of the object restorative substances. Evidence of heat waves can be by palpating and eating Analysis of the associated periodic temperature changes of the objects take place on their surface.

Auf diese weise kann man bei optisch nicht transparenten Gegenstangen beispielsweise die innere Struktur sichtbar machen.In this way you can use counter-bars that are not optically transparent for example, make the internal structure visible.

Insbesondere hat sich gezeigt, daß Wärmewellen sehr empfindlich auf Instetigkeiten in den thermischen Eigenschaften reagieren.In particular, it has been shown that heat waves are very sensitive to Instabilities in the thermal properties react.

So werden bels,;ielsweise nicht verschweiSte Kontaktstellen zwischen zwei rietallen, die röntgenoptisch unsichtbar bleiben, wärme'.:ellenoptisch sichtbar.In this way, contact points that are not welded are generally not welded between two rietals that remain invisible to X-ray optics, 'heat'.: Visible to the eye.

Dic Erseugung der für ein solches Abbildungsverfahren notwendigen RJarmewellen kann auf verschiedene Weise erfolgen.The generation of the necessary for such an imaging process RJarm waves can be done in a number of ways.

Bisher (siehe z. B. den Aufsatz von G. Busse, Naturwissenschaftliche Rundschau heft 6, S. 237-244, 1981) geschieht dies durch punktförmiges Erwärmen der Objektoberfläche beispielsweise mit hilfe eines fokussierten Laserstrahls oder mit Hilfe von Teilchenstrahlen ion, wic Elektronenstrahlen.So far (see e.g. the article by G. Busse, Naturwissenschaftliche Rundschau heft 6, pp. 237-244, 1981) this is done by point-like heating the object surface, for example with the help of a focused laser beam or with the help of particle beams ion, wic electron beams.

Diese Verfahren haben den Nachteil sehr aufwendig zu sein, bei nicht sorgfältiger Dosierung der Strahlungsenergie das Objekt zu besch.;digen und ferner verursachen diese Verfahren eine +TettoerwArmung der Objekte, weil diese Verfahren den Objekten Warme nur zu fUhren Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erzeugung von Wärmewellen anzugeben, welches die obigen Nachteile vermeidet.These methods have the disadvantage of being very expensive not careful dosing of the radiant energy to damage the object and further These processes cause + total heating of the objects because these processes The object of the invention is to provide a method for heating the objects only Indicate generation of heat waves, which avoids the above disadvantages.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß zur Erzeugung der Wärmewellen im Objekt dem letzteren periodisch Wärme zugeführt und auch abgeführt wird. Dadurch wird eine Nettoerwärmung des Meßobjekts vermieden.This is achieved according to the invention in that to generate the Heat waves in the object periodically supplied and also dissipated heat to the latter will. This avoids net heating of the test object.

Ein weiteres Kennzeichen der vorliegenden Anmeldung ist es, dar3 die Übertragung der Wärmewellen auf das Objekt nicht in einem einzigen Funkt sondern flächenförmig erfolgt u. zw. uber Flächen von Größenordnung des Objektquerschnitts. Dadurch wird eine hohe örtliche Belastung der Objektoberfläche vermieden.Another feature of the present application is that dar3 Transfer of the heat waves to the object not in a single point but flat takes place between areas of the order of magnitude of the object cross-section. This avoids high local stress on the object surface.

Eine mögliche Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Benutzung eines Peltierelements zur Erzeugung der Wärmewelle. Das Teltierelement wird dabei von einem 'tttechselstrom durch@@ossen und erzeugt dadurch in Beinen Lötstellen periodisch Erwärmung und Abkühlung.There is one possible implementation of the method according to the invention in the use of a Peltier element to generate the heat wave. The animal element is thereby generated by a 'tttechselstrom through @@ ossen and thereby generated in legs Solder joints periodic heating and cooling.

Die Anwendung eines Peltierelements bedeutet eine ganz erhebliche Vereinfachung bei der Erzeugung der Wärmewelle im Vergleich zu den eingangs erwähnten bisher benutzten Verfahren. Ferner wird hicrdurch die Cbjektbelastung erheblich reduziert, so daß auch biologische (bjokte einer wärmewellenoptischen Abbildung zugänglich werden.The use of a Peltier element means a very considerable one Simplification in the generation of the heat wave compared to those mentioned at the beginning previously used procedure. Furthermore, the load on the object becomes considerable reduced, so that biological (components of a heat wave optical image become accessible.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren 1 und 2 dargestellt. Es zeigen Figur 1: Erfindungsmäßiger Wärmewellengeber und Beispiel für den Einsatz bei wärmewellenoptischer Abbildung eines Objekts.The invention is illustrated below with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 shows a heat wave generator according to the invention and an example of its use with thermal wave optical imaging of an object.

Figur 2: Ein weiterer erfindungsgemäßer Wärmewellengeber.Figure 2: Another inventive heat wave transmitter.

Die Ziffern bedeuten: 1 ... Peltierelement, bestehend aus beispielsweise den Metallen Konstantan (1f) und Kupfer (1") 2 ... Stromquelle für das Peltierelement 3 ... Kühlvorrichtung für das Peltierelement 4 ... Wärmeleitpaste 5 ... abzubildondes Objekt 6 ... Bohrunf, im Objekt 5 7 ... Infrarotoptik 8 ... Infrarotempfänger 9 ... Vorverstärker 10 ... Lock-In-Verstärker 11 ... Abtastbewegung es Infrarotempfängers 12 ... Bildausgabegerät 13 ... Schreibbewegung am Bildausgabegerät 14 ... J'eizschicht 15 ... Anschlüsse der Heizschicht 16 ... eiektriscb isolierende, wärmeleitende Trennschizht 17 ... Kühlelement 18 ... Kühlschlnge 19 ... Anschlüsse der Kühlschange In Figur 1 ist eine grundsätzliche Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Das Peltierelement 1 wird von Wechselstrom aus der Stromquelle 2 durchflossen.The numbers mean: 1 ... Peltier element, consisting of, for example the metals constantan (1f) and copper (1 ") 2 ... power source for the Peltier element 3 ... cooling device for the Peltier element 4 ... thermal paste 5 ... abzubildondes Object 6 ... Bohrunf, in object 5 7 ... Infrared optics 8 ... Infrared receiver 9 ... preamplifier 10 ... lock-in amplifier 11 ... scanning movement of the infrared receiver 12 ... Image output device 13 ... Writing movement on the image output device 14 ... J'eizschicht 15 ... connections of the heating layer 16 ... electrically insulating, heat-conducting separating layer 17 ... cooling element 18 ... cooling coils 19 ... connections of the cooling coil In FIG. 1 shows a basic embodiment of the method according to the invention. Alternating current from the power source 2 flows through the Peltier element 1.

Dies führt zu periodischer Erwärmung und Abkühlung an den zwei Lötstellen zwischen den Peltiermetallen 1' und 1 ".This leads to periodic heating and cooling at the two solder joints between the Peltier metals 1 'and 1 ".

eben diesen Peltierwärmen entsteht durch den Stromfluß eine Verlustwärme, die durch die Kühlvorrichtung 3 abgefuhrt wird. Das Objekt 5 mit einer optisch von oben nicht sichtbaren Bohrung 6 ist mit einer Wärmeleitpaste 4 an das Peltierelement 1 angekoppelt. Die vom Peltierelement 1 erzeugten Wärmewellen durchlaufen das Objekt 5 und erzeugen an der dem Peltierelement 1 gegenüberliegenden Oberfläche periodische Temperaturschwankungen, deren Größe und Phase durch innere Strukturen des Objekts, beispielsweise durch die Bohrung 6 beeinflußt wird. Diese Temperaturschwankungen auf der Oberfläche des Objekts werden in dem Beispiel der Fig. 1 mit Hilfe einer Infrarotoptik 7 als Infrarotbild auf einen Infrarotempfänger 8 (Golay-Zelle oder HgCdUe-Detektor) abgebildet. Die Eintrittsöffnung des Infrarotempfängers tastet das Bild beispielsweise mäanderförmig (11) ab. Das Empfängersignal kann mit einem Lock-In-Verstärker 10 oder auf andere Weise registriert und zum Hell-Dunkel-Tasten eines synchron mit dem IR-Empfänger bewegten (13) Schreibgeräts 12 zur Erzeugung des thermischen Bilds des Objekts 1 benutzt werden. In diesem 3ild erscheinen thermische Strukturen des Objekts als Projektion in Ausbreitungsrichtung der thermischen Welle auf die Objektoberfläche.It is precisely these Peltier heats that result in a loss of heat due to the flow of current, which is discharged through the cooling device 3. The object 5 with an optically of Hole 6, not visible above, is attached to the Peltier element with a thermal paste 4 1 coupled. The heat waves generated by the Peltier element 1 pass through the object 5 and generate periodic on the surface opposite the Peltier element 1 Temperature fluctuations, their size and phase due to internal structures of the object, is influenced by the bore 6, for example. These temperature fluctuations on the surface of the object are in the example of FIG. 1 with the aid of a Infrared optics 7 as an infrared image on an infrared receiver 8 (Golay cell or HgCdUe detector). The inlet opening of the infrared receiver is felt the image, for example, meander (11). The receiver signal can be connected to a Lock-in amplifier 10 or registered in some other way and used for light-dark buttons a (13) writing implement 12 moved synchronously with the IR receiver for generating of the thermal image of the object 1 can be used. Thermal ones appear in this picture Structures of the object as a projection in the direction of propagation of the thermal wave on the object surface.

Wenn man nur die Amplitude der lokalen Temperaturmodulation zum Abbilden ausnutzt, erscheinen auch etwaige Strukturen der lokalen Infrarotemission. Solche Strukturen, die sonst üblicherweise mit Thermographieverfahren abgebildet werden, können das erwünschte Bild der thermischen Strukturen verfälschen. Ein wesentlicher Vorteil der Wärmewellenmethode gegenüber konventionellen Thermographiemethoden liegt jedoch darin, daß die Periodizität in der Wärmezufuhr eine Phaseninformation liefert, die unabhängig vom Emissionskoeffizienten der Oberfläche die Abbildung thermischer Strukturen ermöglicht. Diese Fragen sind z. R. in dem schon zitierten Aufsatz von G. Busse in der Zeitschrift Naturwissenschaftliche Rundschau Heft 6, S. 237-244, 1981 ausführlich behandelt; da dieser Verfahrensschritt nicht zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gehört, wird hier nicht näher darauf eingegangen.If one only uses the amplitude of the local temperature modulation for mapping any structures of the local infrared emission also appear. Such Structures that are otherwise usually mapped with thermographic processes, can distort the desired image of the thermal structures. An essential one The advantage of the heat wave method over conventional thermography methods is however, in the fact that the periodicity in the heat supply provides phase information, which is independent of the emission coefficient of the surface, the imaging of thermal Structures made possible. These questions are e.g. R. in the article by G. Busse in the journal Naturwissenschaftliche Rundschau, issue 6, pp. 237-244, Covered in detail in 1981; since this process step is not the subject of This application is part of the present application, and will not be discussed in any further detail here.

Eine alternative Ausführung eines Wärmewellengebers gemäß der vorliegenden Erfindung erhält man durch Kombination einer elektrischen Heizschicht mit einer Kühlvorrichtung, wie in der Figur 2 dargestellt. Die Heizschicht 14 besteht beisnielsweise aus einer dünnen Nickelfolie oder anderen, dem jeweiligen Stand der Technik entsprechenden Heizfolien, beispielsweise auch aus Aufdampfschichten. Sie besitzt zwei elektrische Anschlüsse 15 für den llcizstrom. Ueber eine elektrisch isolierende und gut wärmeleitende Schicht 16 ist die Reizschicht 14 an das Kühlelement 17 angekoppelt. Das Kühlelement 17 besteht beispielsweise aus Kunf@r und ,ir(l von einem KiMlmittel, besspielsweise Wasser, durchflossen. Vu diesem Zweck bcsitzt däs Kt'ihlelement eine KUhlschlange 18 mit zwei Anschlüssen 19. Das wärmewellenoptisch zerstörungsfrei zu prüfende Objekt 5 wird z. B. mit Hilfe einer Wärmeleitpaste 4 an die Heizschicht 14 angekoppelt. Zur Erzeugung der Wärmewellen wird die Heizschicht 14 mit Wechselstrom oder mit gepulstem Gleichstrom betrieben. Zur Erzeugung hochfrequenter Wärmewellen muß die Wärmekapazität der Heizfolie durch entsprechende Dimensionierung klein gehalten werden.An alternative embodiment of a heat wave transducer according to the present invention Invention is obtained by combining an electrical heating layer with a Cooling device as shown in FIG. The heating layer 14 consists, for example made of a thin nickel foil or other state-of-the-art technology Heating foils, for example also made of vapor-deposited layers. She has two electric Connections 15 for the llcizstrom. Via an electrically insulating and thermally conductive one Layer 16, the stimulus layer 14 is coupled to the cooling element 17. The cooling element For example, 17 consists of Kunf @ r and, ir (l from a KiMlmittel, for example Water flowing through it. For this purpose the cooling element has a cooling coil 18th with two connections 19. The heat wave optically non-destructive test object 5 is z. B. coupled to the heating layer 14 with the aid of a thermal paste 4. To generate the heat waves, the heating layer 14 is with alternating current or with pulsed direct current operated. To generate high-frequency heat waves, the The heat capacity of the heating foil is kept small by appropriate dimensioning will.

Weitere alternative Ausführungen eines Wärmewellengebers erhält man, wenn man das Kühlelement 17 des Wärmewellengebers der Fig.2 durch die Kühlvorrichtung 3 des Wärmewellengebers der Fig.el ersetzt oder umgekehrt. Die Kühlvorrichtung 3 gibt die Wärme durch Wärmeleitung an die Umgebung ab.Further alternative versions of a heat wave transducer are available, when the cooling element 17 of the heat wave transmitter of Figure 2 through the cooling device 3 of the heat wave transducer of Fig.el replaced or vice versa. The cooling device 3 gives off the heat by conduction to the environment.

Bisher waren Anordnungen dargestellt worden, bei welchen die Veranderung der transmittierten-Wärmewelle zur Abbildung benutzt wurde. Analog bestehenden optoäkustischen Abbildungsverfahren läßt sich auch die zurücklaufende wärmewelle an der-Frontseite des irüflings bzw an der auf ihm befestisrten Tleizschicht beobachten. Diese Methode ist zur Analyse frontseitennaher strukturen geeignet.So far, arrangements have been presented in which the change the transmitted heat wave was used for imaging. Analogous to existing opto-acoustic tables Imaging method can also be the returning heat wave on the front side watch the little boy or the sheet of metal attached to it. This method is suitable for analyzing structures close to the front.

Ist der Untersuchungsgegenstand eine temperaturverändernde einrichtung oder deren thermische Ankopplung an die Umgebung, z. B. an einen Kühlkörper, so kann diese Einrichtung als Wärmewe11engeber betrieben und damit unmittelbar zur Abbildung der lokalen Wärmeerzeugung- und/oder des lokalen Irtärmetransports benutzt werden. Beispiele für solche Objekte sind Laserdioden, integrierte bchaltungen sowie Heizwicklungen oder iteizschichten.Is the object of investigation a temperature-changing device or their thermal coupling to the environment, e.g. B. to a heat sink, so this device can be operated as a heat transmitter and thus directly Mapping of local heat generation and / or local Irtärmettransport used will. Examples of such objects are laser diodes, integrated circuits as well Heating coils or heating layers.

LeerseiteBlank page

Claims

patent claims: 1. @armewellengeber for heat wave optical imaging and / or non-destructive examination of object structures, characterized in that that heat is periodically added to the object and heat is dissipated.

2. @armewellengeber according to claim 1, characterized in that the Transfer of the heat wave to the measured object is not punctiform but flat takes place so that local overheating of the object surface is avoided.

3. Heat wave transducer according to claim 1 and claim 2, characterized in that that a leltier element is used to generate the heat waves.

4. Heat wave transducer according to claim 1 and claim 2, characterized in that that uses an electrical heating layer in conjunction with a cooling device will.

5. heat wave transmitter according to claim 1, characterized in that one temperature-changing device umnittelbar is used as a heat wave generator.