IT202100007148A1 - TECHNIQUE AND SYSTEM OF TESTING A MATERIAL SAMPLE USING RADIOMETRY OR INFRARED THERMOGRAPHY - Google Patents

TECHNIQUE AND SYSTEM OF TESTING A MATERIAL SAMPLE USING RADIOMETRY OR INFRARED THERMOGRAPHY Download PDF

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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/72Investigating presence of flaws

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Description

Descrizione dell?invenzione avente per titolo: Description of the invention entitled:

?TECNICA E SISTEMA DI TEST DI UN CAMPIONE DI MATERIALE MEDIANTE L?UTILIZZO DELLA RADIOMETRIA O TERMOGRAFIA A INFRAROSSI? ?TECHNIQUE AND SYSTEM OF TESTING A MATERIAL SAMPLE THROUGH THE USE OF INFRARED RADIOMETRY OR THERMOGRAPHY?

Descrizione Description

Settore della tecnica Technical sector

La presente invenzione si riferisce in generale all?analisi di materiali e campioni di materiali mediante la radiazione elettromagnetica, in particolare esaminando l?incremento di temperatura prodotto sulla superficie del materiale dall?irraggiamento. The present invention relates in general to the analysis of materials and samples of materials by means of electromagnetic radiation, in particular by examining the temperature increase produced on the surface of the material by the radiation.

Tecnica nota Known technique

L?effetto Doppler tradizionale ? noto gi? da molto tempo ai ricercatori e ai tecnici. Il cambiamento di frequenza di un?onda elettromagnetica quando una sorgente e un ricevitore sono in moto relativo l?una rispetto all?altro ? stato descritto per la prima volta da Christian Doppler nel 1842 [1]. Egli applic? erroneamente l?effetto per spiegare i diversi colori delle stelle. Successivamente Buys Ballot [2] fece esperimenti con le onde sonore e Fizeau [3] nel 1848 propose che le linee negli spettri ottici potessero mostrare variazioni di frequenza a seconda delle velocit? relative della sorgente e dell?osservatore, previsione poi confermata da Sir William Huggins [4], che mostr? il cambiamento di frequenza verso il rosso delle linee dell?idrogeno registrato da Sirius, indicando un movimento recessivo. The traditional Doppler effect ? known already? for a long time to researchers and technicians. The change in frequency of an electromagnetic wave when a source and receiver are in relative motion with respect to each other? was first described by Christian Doppler in 1842 [1]. He applied erroneously the effect to explain the different colors of the stars. Subsequently Buys Ballot [2] made experiments with sound waves and Fizeau [3] in 1848 proposed that lines in optical spectra could show frequency variations depending on the speed? relative of the source and of the observer, forecast then confirmed by Sir William Huggins [4], which showed? the red frequency shift of the hydrogen lines recorded by Sirius, indicating a recessive movement.

L?effetto Doppler, nella sua concezione tradizionale, ha poi dato luogo ad innumerevoli applicazioni per le onde elettromagnetiche e per gli ultrasuoni. In effetti, dalla sua scoperta l?effetto Doppler ? divenuto fondamentale nella descrizione del nostro mondo e nello sviluppo di una moltitudine di applicazioni principalmente per la determinazione della velocit? di oggetti in moto. The Doppler effect, in its traditional conception, then gave rise to innumerable applications for electromagnetic waves and ultrasounds. In fact, since its discovery the Doppler effect ? become fundamental in the description of our world and in the development of a multitude of applications mainly for the determination of the speed? of moving objects.

? stato applicato nella astronomia radar e in altre forme di radar per misurare la velocit? degli oggetti rilevati: autovelox, velocit? di fronti nuvolosi in meteorologia, etc. Nelle applicazioni biomediche sono stati sviluppati flussimetri Eco-Doppler, e Acoustic Doppler Velocimeter (ADC), nei quali una sorgente di onde sonore, generalmente ultrasuoni, viene orientata opportunamente. Queste onde acustiche vengono poi riflesse con una nuova frequenza (a seconda della velocit? vettoriale delle particelle sanguigne), la quale viene rilevata e rielaborata in modo da ottenere tale misura di velocit?. Ulteriore applicazione ? il laser Doppler imager, utilizzato in particolare per studi sull?angiogenesi, sulla disfunzione endoteliale, sulle ulcere cutanee, per la valutazione di prodotti farmaceutici o cosmetologici ad applicazione locale, per lo studio delle ustioni. L?ecografia Doppler o pi? semplicemente ecoDoppler ? una tecnica non invasiva utilizzata da oltre un trentennio in medicina per lo studio della situazione anatomica e funzionale dei vasi sanguigni, arteriosi e venosi, e del cuore in tempo reale ed in maniera contemporanea (Duplex-Scanner). ? been applied in radar astronomy and other forms of radar to measure speed? of the detected objects: speed cameras, speed? of cloud fronts in meteorology, etc. In biomedical applications, Eco-Doppler flowmeters and Acoustic Doppler Velocimeter (ADC) have been developed, in which a source of sound waves, generally ultrasound, is suitably oriented. These acoustic waves are then reflected with a new frequency (depending on the vector velocity of the blood particles), which is detected and reprocessed in order to obtain this velocity measurement. Further application ? the laser Doppler imager, used in particular for studies on angiogenesis, endothelial dysfunction, skin ulcers, for the evaluation of pharmaceutical or cosmetic products for local application, for the study of burns. The Doppler ultrasound or more? simply echoDoppler? a non-invasive technique used for over thirty years in medicine for the study of the anatomical and functional situation of blood vessels, arteries and veins, and of the heart in real time and simultaneously (Duplex-Scanner).

L?effetto Doppler ha anche interessato la fotoacustica. In effetti, l?effetto Doppler delle onde acustiche emesse da sorgenti ottiche modulate ad ampiezza in movimento ? stato esplorato diversi decenni fa da ricercatori sovietici tra cui Bozhkov, [5?8] Bunkin, [5-7,9] e Kolomenskii [7,8] cos? come da ricercatori negli Stati Uniti [10]. Sfortunatamente, a causa dell?applicazione proposta per la comunicazione sottomarina, la maggior parte del lavoro pubblicato dai ricercatori sovietici era incentrato sul problema di un raggio laser in movimento diretto all?interfaccia tra un gas trasparente e un liquido assorbente in cui ? stata modulata l?intensit? del raggio, rendendo pi? difficile la comprensione della forma dei modelli sonori nello spazio e risultando in complesse espressioni matematiche. Inoltre il caso non modulato non ? stato analizzato [5-9, 11-14]. The Doppler effect has also affected photoacoustics. Indeed, the Doppler effect of acoustic waves emitted by moving amplitude-modulated optical sources? was explored several decades ago by Soviet researchers including Bozhkov, [5?8] Bunkin, [5-7,9] and Kolomenskii [7,8] so? as per researchers in the United States [10]. Unfortunately, due to the proposed application for undersea communication, most of the published work by Soviet researchers centered on the problem of a moving laser beam directed at the interface between a transparent gas and an absorbent liquid where it? been modulated? intensity? of the radius, making it more? difficult to understand the shape of sound patterns in space and resulting in complex mathematical expressions. In addition, the case is not modulated not ? been analyzed [5-9, 11-14].

Pi? recentemente la teoria completa sullo spostamento di sorgenti fotoacustiche in una, due e tre dimensioni ? stata ampiamente discussa da W. Bai e G.J.Diebold [15, 16], applicando la rivelazione di gas in tracce con la spettroscopia fotoacustica dinamica (DPAS) [17-19]. Pi? recently the complete theory on the displacement of photoacoustic sources in one, two and three dimensions ? been extensively discussed by W. Bai and G.J.Diebold [15, 16], applying the detection of trace gases with dynamic photoacoustic spectroscopy (DPAS) [17-19].

Lo studio di materiali pu? avvenire anche con la tecnica termografica. The study of materials can also take place with the thermographic technique.

Come noto ogni corpo emette una quantit? di radiazioni elettromagnetiche proporzionalmente alla quarta potenza della sua temperatura assoluta (scala Kelvin) secondo la Legge di Stefan-Boltzmann [20]. I sensori termografici possono rilevare una porzione della radiazione emessa dal corpo nel range infrarosso dello spettro elettromagnetico, permettendo di visualizzare valori assoluti e variazioni di temperatura del corpo. As known, each body emits a quantity? of electromagnetic radiation proportional to the fourth power of its absolute temperature (Kelvin scale) according to the Stefan-Boltzmann Law [20]. Thermographic sensors can detect a portion of the radiation emitted by the body in the infrared range of the electromagnetic spectrum, making it possible to view absolute values and body temperature variations.

La termografia ? quindi una tecnica di analisi non distruttiva che si basa sull?acquisizione di immagini nell?infrarosso fornendo una mappa di temperatura ed emissivit? degli oggetti inquadrati da una telecamera infrarossa. Thermography? therefore a non-destructive analysis technique which is based on the acquisition of images in the infrared providing a map of temperature and emissivity? of the objects framed by an infrared camera.

L?analisi termografica pu? essere condotta in condizioni attive e passive. Nel primo caso l?elemento da indagare viene riscaldato per incrementare la risposta termografica e, contestualmente, attivare i flussi di calore che consentono di ottenere diverse risposte dagli elementi a diversa capacit? termica. Nelle condizioni passive, invece, si analizza la superficie cos? come essa si presenta al momento dell?indagine. The thermographic analysis can? be conducted in active and passive conditions. In the first case, the element to be investigated is heated to increase the thermographic response and, at the same time, activate the heat flows which allow for different responses to be obtained from the elements with different capacities. thermal. In the passive conditions, instead, the surface is analyzed so? as it presents itself at the time of the investigation.

Il metodo termografico trova applicazione in numerosi settori, tra i quali: siderurgia, edilizia, medicina e veterinaria, industria chimica, beni culturali, aeronautica, automotive, protezione dell?ambiente etc. The thermographic method finds application in numerous sectors, including: iron and steel, construction, medicine and veterinary medicine, chemical industry, cultural heritage, aeronautics, automotive, environmental protection, etc.

Nell?edilizia ad esempio le analisi termografiche permettono la verifica dell?isolamento, la verifica delle impermeabilizzazioni, l?analisi del degrado dovuto ad umidit?, la ricerca di cause di infiltrazioni idriche e la ricerca di elementi costruttivi nascosti. In the building industry, for example, thermographic analyzes allow for the verification of insulation, the verification of waterproofing, the analysis of degradation due to humidity, the search for causes of water infiltration and the search for hidden construction elements.

Nel caso pi? generale della scienza dei materiali le analisi termografiche permettono di misurare difetti, cricche sub-superficiali, stress residui, limiti di fatica, venendo ampiamente applicate nell?ingegneria meccanica per i controlli nondistruttivi su saldature, braccetti di sospensione e collegamenti con bulloni. La termografia infrarossa consente anche la valutazione quantitativa delle propriet? termiche dei materiali (ad esempio la misura della diffusivit? termica). Recentemente ? stato introdotto un metodo termografico applicabile a campioni in movimento che vengono riscaldati da un fascio laser focalizzato in continua (c.w.), senza alcuna modulazione temporale [21, 22]. Si comprender? come questa applicazione sia tecnologicamente diversa da quella presentata nella presente domanda di brevetto, poich? essa non fa uso di modulazione temporale del fascio laser, con una conseguente riduzione del rapporto segnale rumore che ne limita la capacit? diagnostica e la stima della diffusivit? termica, che invece pu? essere largamente migliorata in regimi di riscaldamento modulato temporalmente. In the case more general science of materials thermographic analyzes allow to measure defects, sub-surface cracks, residual stresses, fatigue limits, being widely applied in mechanical engineering for non-destructive testing of welds, suspension arms and bolt connections. Infrared thermography also allows the quantitative evaluation of the properties thermal properties of materials (for example the measurement of thermal diffusivity). Recently ? a thermographic method has been introduced which can be applied to moving samples which are heated by a continuous focused laser beam (c.w.), without any temporal modulation [21, 22]. Will you understand? how this application is technologically different from the one presented in the present patent application, since? it does not use temporal modulation of the laser beam, with a consequent reduction of the signal-to-noise ratio which limits its capacity? diagnostics and the estimation of the diffusivity? thermal, which instead can? be largely improved in time-modulated heating regimes.

L?inventore della presente domanda di brevetto adotta una tecnica termografica in cui l?effetto Doppler gioca un ruolo importante. The inventor of the present patent application adopts a thermographic technique in which the Doppler effect plays an important role.

Descrizione dell?invenzione Description of the invention

La presente invenzione si basa in parte sull?effetto Doppler nel campo delle onde termiche. Le onde termiche nei mezzi sono note da molto tempo. L?effetto Doppler su campi termici oscillanti viene presentato dall?inventore della presente invenzione che ne dimostra la validit? sperimentale e teorica e ne indica le sue svariate applicazioni, ad esempio nel settore biomedico. The present invention is based in part on the Doppler effect in the field of thermal waves. Thermal waves in media have been known for a long time. The Doppler effect on oscillating thermal fields is presented by the inventor of the present invention who demonstrates its validity experimental and theoretical and indicates its various applications, for example in the biomedical sector.

L?inventore mette in luce il legame tra lo shift di frequenza osservabile, la velocit? relativa fra sorgente e rivelatore, e la velocit? dell?onda termica legata a sua volta alla diffusivit? termica del mezzo. The inventor highlights the link between the observable frequency shift, the speed? relative between source and detector, and the speed? of the thermal wave linked in turn to the diffusivity? medium temperature.

La scoperta di precise relazioni funzionali fra i parametri termofisici e cinematici coinvolti fornisce una chiave di lettura per potere sviluppare applicazioni innovative che sfruttino questo nuovo effetto per misurare la velocit? di particelle in moto e/o la diffusivit? termica di materiali lungo una linea di produzione, in intervalli di frequenze, di velocit? e di osservabilit? del fenomeno differenti e complementari rispetto alle applicazioni standard dell?effetto Doppler in acustica o elettromagnetismo. The discovery of precise functional relationships between the thermophysical and kinematic parameters involved provides a key to be able to develop innovative applications that exploit this new effect to measure the speed? of particles in motion and/or the diffusivity? temperature of materials along a production line, in ranges of frequencies, speeds? and observability? of the different and complementary phenomenon compared to the standard applications of the Doppler effect in acoustics or electromagnetism.

Lo scopo della presente invenzione consiste in generale nel mettere a disposizione una tecnica di test di un campione di materiale mediante l?utilizzo della radiometria o termografia a infrarossi, secondo la rivendicazione 1, e un sistema di test di un campione di materiale mediante l?utilizzo della radiometria o termografia a infrarossi, secondo la rivendicazione 18. The object of the present invention is generally to provide a technique for testing a material sample by using infrared radiometry or thermography, according to claim 1, and a system for testing a material sample by using use of infrared radiometry or thermography, according to claim 18.

Le rivendicazioni dipendenti riguardano degli aspetti pi? particolari dell?invenzione che offrono determinati vantaggi. The dependent claims concern aspects more? particulars of the invention that offer certain advantages.

Sostanzialmente, il concetto alla base della presente invenzione consiste nell?irradiare con una sorgente di luce ad alta densit? di energia (scaldando di qualche grado), in particolare un laser, una superficie del materiale ossia del mezzo da esaminare. Secondo la presente invenzione, la luce laser viene modulata con idonei mezzi di modulazione (chopper, sistema elettroottico, diodo laser attivato da un?onda quadra, ecc.) ad una frequenza angolare di modulazione fissa e predeterminata ?. La lunghezza d?onda del laser viene scelta in modo da poter esaminare adeguatamente il campione di materiale irradiato da esso. Il laser potrebbe anche essere a lunghezza d?onda variabile, selezionabile per la specifica applicazione. Il modulatore potrebbe anch?esso essere realizzato a frequenza angolare di modulazione ? variabile, scelta in modo selettivo per ogni specifica applicazione. La lunghezza di diffusione termica dipende dalla diffusivit? termica nel campione e dalla frequenza di modulazione, per cui scegliendo opportunamente quest?ultima si potr? penetrare nel materiale sino alla giusta profondit?. Basically, the basic concept of the present invention consists in irradiating with a high density light source of energy (by heating up by a few degrees), in particular a laser, a surface of the material or of the medium to be examined. According to the present invention, the laser light is modulated with suitable modulation means (chopper, electro-optical system, laser diode activated by a square wave, etc.) at a fixed and predetermined modulation angular frequency ?. The wavelength of the laser is chosen so that the sample of material irradiated by it can be adequately examined. The laser could also be of variable wavelength, selectable for the specific application. Could the modulator also be made with angular frequency modulation? variable, selectively chosen for each specific application. Does the length of thermal diffusion depend on the diffusivity? thermal in the sample and from the frequency of modulation, for which choosing opportunely this? last one will be able? penetrate the material up to the right depth.

Secondo la presente invenzione ? fondamentale inoltre che il mezzo ossia il campione da esaminare sia in moto relativo rispetto alla sorgente di luce di eccitazione, ad esempio un laser, oppure che delle particelle interne al campione siano in moto relativo rispetto alla sorgente di luce di eccitazione (ad esempio un laser). In quest?ultimo caso le particelle possono spostarsi ortogonalmente alla superficie del campione oppure parallelamente ad essa, avvicinandosi oppure allontanandosi dalla superficie del campione, oppure spostandosi sempre parallelamente ad essa. In generale le particelle potrebbero anche avere una velocit? in una direzione qualsiasi, sebbene questa non sia la soluzione/applicazione preferita. Nella descrizione dettagliata che segue vengono presentate varie applicazioni pratiche dell?invenzione in cui le particelle si spostano ortogonalmente alla superficie del campione (cosiddetto ?out of plane motion?) oppure parallelamente alla superficie del campione (cosiddetto ?in plane motion?). La luce laser, nel caso dell?eccitazione di una particella con velocit? V ortogonale alla superficie del campione (nel seguito per brevit? anche ?moto verticale? ossia V ? S), viene concentrata su una superficie minima del campione (ad esempio di 1 mm2), sino a raggiungere la regione della particella per eccitarla ossia riscaldarla. Ovviamente, la lunghezza d?onda del laser sar? scelta opportunamente affinch? il fascio laser possa penetrare con debole attenuazione nel materiale, venendo infine fortemente e selettivamente assorbito dalle particelle in moto che si scaldano. According to the present invention ? it is also essential that the medium, i.e. the sample to be examined, is in relative motion with respect to the excitation light source, for example a laser, or that the particles inside the sample are in relative motion with respect to the excitation light source (for example a laser ). In the latter case the particles can move orthogonally to the surface of the sample or parallel to it, approaching or moving away from the surface of the sample, or always moving parallel to it. In general, the particles could also have a speed? in either direction, although this is not the preferred solution/application. In the following detailed description various practical applications of the invention are presented in which the particles move orthogonally to the surface of the sample (so-called ?out of plane motion?) or parallel to the surface of the sample (so-called ?in plane motion?). The laser light, in the case of the excitation of a particle with speed? V orthogonal to the surface of the sample (hereinafter for brevity? also ?vertical motion? i.e. V ? S), is concentrated on a minimal surface of the sample (for example 1 mm2), until it reaches the region of the particle to excite or heat it . Obviously, the wavelength of the laser will be? appropriately chosen so that? the laser beam can penetrate the material with low attenuation, finally being strongly and selectively absorbed by the moving particles which heat up.

Le particelle, assorbendo il fascio modulato temporalmente alla frequenza angolare ?, divengono esse stesse sorgenti in movimento di onde termiche a tale frequenza angolare ? = 2?f. Grazie al meccanismo della conduzione termica il calore viene trasmesso a tutto il volume del materiale che subisce un debole innalzamento della temperatura. La temperatura indotta sulla superficie del campione ? anch?essa oscillante, ma ad una frequenza angolare diversa ?? = 2?f? da quella del fascio modulato. Specificatamente, si ha un effetto Doppler delle onde termiche, laddove se la particella si avvicina alla superficie del campione e quindi ad un rivelatore di raggi infrarossi solidale al (ossia fisso rispetto al sistema di riferimento del) laser di eccitazione, allora ?? > ? e al contrario ?? < ? se essa si allontana dal rivelatore di infrarossi. Dallo shift di frequenza angolare ?? si deriva la velocit? V della particella, mentre la posizione (iniziale) momentanea Zo di una particella viene derivata dalla fase ? e dallo shift ?? del segnale. By absorbing the time-modulated beam at the angular frequency ?, the particles themselves become moving sources of thermal waves at this angular frequency ? = 2?f. Thanks to the thermal conduction mechanism, the heat is transmitted to the entire volume of the material which undergoes a slight rise in temperature. The temperature induced on the surface of the sample ? also oscillating, but at a different angular frequency ?? = 2?f? from that of the modulated beam. Specifically, there is a Doppler effect of thermal waves, where if the particle approaches the surface of the sample and therefore an infrared detector integral with (ie fixed with respect to the reference system of) the excitation laser, then ?? > ? and vice versa ?? < ? if it moves away from the infrared detector. From the angular frequency shift ?? you derive the speed? V of the particle, while the momentary (initial) position Zo of a particle is derived from the phase ? and from the shift ?? of the signal.

Nel caso di una particella che si muove nel campione con moto uniforme parallelo alla superficie, ? ovviamente necessario irradiare una superficie pi? estesa del campione. Ancora una volta si ha una formula in cui il (massimo) shift di frequenza ? dato da una formula analoga al caso del moto verticale della particella. Le posizioni e le velocit? delle particelle che si spostano nel mezzo in esame (campione) parallelamente alla sua superficie sono date da formule specifiche fornite nella descrizione dettagliata. In the case of a particle moving in the sample with uniform motion parallel to the surface, ? obviously necessary to irradiate a surface pi? extended sample. Once again we have a formula where the (maximum) frequency shift ? given by a formula analogous to the case of the vertical motion of the particle. The positions and speeds? of particles moving in the medium under investigation (sample) parallel to its surface are given by specific formulas given in the detailed description.

Un esempio di moto parallelo ? quello dello studio citometrico nei capillari o capillaroscopico. Il sistema dell?invenzione pu? consentire la determinazione di posizione e velocit? di globuli rossi, piastrine, aggregati piastrinici, micro emboli, aggregati con cellule tumorali, in vasi sanguigni e capillari sottili (si veda la descrizione dettagliata che segue). Ovviamente la lunghezza d?onda del laser deve essere calibrata in modo da distinguere il contributo delle varie specie di particelle in moto, in base alle differenti propriet? assorbenti delle varie famiglie di particelle. ? necessario per questo scegliere ad esempio un laser operante a N possibili lunghezze d?onda se N sono le particelle dissimili. An example of parallel motion? that of the cytometric study in capillaries or capillaroscopy. The system of the invention can? allow the determination of position and speed? of red blood cells, platelets, platelet aggregates, micro emboli, aggregates with tumor cells, in blood vessels and fine capillaries (see detailed description below). Obviously the wavelength of the laser must be calibrated in order to distinguish the contribution of the various species of particles in motion, based on the different properties? absorbents of the various families of particles. ? for this it is necessary to choose, for example, a laser operating at N possible wavelengths if there are N dissimilar particles.

Nel caso di particelle con moto orizzontale (V ? S), dalla seguente formula (7) della descrizione dettagliata si nota che ?Ts, ossia l?incremento della temperatura sulla superficie del campione, dipende da t, x, y, per z costante. In the case of particles with horizontal motion (V ? S), from the following formula (7) of the detailed description it can be seen that ?Ts, i.e. the increase in temperature on the surface of the sample, depends on t, x, y, for constant z .

Quindi l?innalzamento della temperatura rappresenta in generale una risposta spazio-temporale complicata all?eccitazione del laser, ossia una funzione ?Ts delle variabili x e y, nonch? t, la quale d? informazioni sulla statistica delle particelle presenti e mobili nel mezzo e che vengono eccitate dal laser. Il rivelatore IR misura proprio un segnale che deriva direttamente dal ?Ts. Anche nel caso del moto parallelo (V ? S) ossia orizzontale si ha uno shift di frequenza (effetto Doppler), ma quest?ultimo ? variabile con la posizione momentanea della particella secondo la legge sin (?), essendo ? l?angolo di inclinazione rispetto alla verticale del segmento che congiunge la particella al centro del sistema locale di coordinate (0, 0), con la posizione del detector sul piano (x, y) ? S. Si veda a tale proposito la formula corrispondente della descrizione dettagliata. So the temperature rise generally represents a complicated spatio-temporal response to the excitation of the laser, ie a function ?Ts of the variables x and y, as well as? t, which d? information on the statistics of the particles present and mobile in the medium and which are excited by the laser. The IR detector actually measures a signal that derives directly from the ?Ts. Even in the case of parallel motion (V ? S) that is horizontal there is a frequency shift (Doppler effect), but this? last ? variable with the momentary position of the particle according to the law sin (?), being ? the angle of inclination with respect to the vertical of the segment that connects the particle to the center of the local coordinate system (0, 0), with the position of the detector on the plane (x, y) ? S. In this regard, see the corresponding formula of the detailed description.

L?invenzione comprende anche il caso in cui il mezzo si trova (come un tutt?uno) in moto relativo rispetto al rivelatore di infrarossi e alla sorgente di luce. Anche in questa situazione vi ? un moto relativo tra la materia da analizzare e la sorgente di luce (laser di pompa). Tuttavia, non vengono rilevati allora i parametri velocimetrici delle particelle, le quali per ipotesi si spostano in questo caso tutte alla stessa velocit? uniforme V (nota oppure incognita), bens? la diffusivit? termica del mezzo ossia del materiale in esame (se V ? un?incognita allora viene misurata anche V). Diversamente dalla tecnica nota, in cui il campione ? fisso rispetto all?apparato di misurazione, per misurare la diffusivit? termica (o un altro parametro termofisico) si utilizza nella presente invenzione un campione mobile. Le applicazioni sono molteplici e vengono trattate nella descrizione dettagliata (controllo qualit? di processi industriali, sicurezza delle linee ferrate (binari ferroviari, ecc.). The invention also includes the case in which the medium is (as a whole) in relative motion with respect to the infrared detector and the light source. Even in this situation there? a relative motion between the material to be analyzed and the light source (pump laser). However, the velocimetric parameters of the particles are not then detected, which by hypothesis in this case all move at the same speed? uniform V (known or unknown), bens? the diffusivity? temperature of the medium or of the material under examination (if V is an unknown then V is also measured). Differently from the prior art, in which the sample is fixed with respect to the? measuring apparatus, to measure the diffusivity? temperature (or another thermophysical parameter) a moving sample is used in the present invention. The applications are many and are dealt with in the detailed description (quality control of industrial processes, safety of railway lines (railway tracks, etc.).

Anche nel caso in cui il campione mobile ? un materiale le cui particelle si spostano tutte alla stessa velocit? uniforme V, la sorgente di luce ? modulata con un modulatore ma non occorre allora pi? alcun analizzatore di spettro in quanto il segnale rilevato ha una frequenza uguale ad ?, cio? alla frequenza del modulatore (chopper, diodo laser, sistema elettroottico, ecc.) e verr? quindi usato un sistema di demodulazione ?lock-in?. I cosiddetti ?contour plot? della fase (sfasamento rispetto al segnale armonico del modulatore) e del logaritmo dell?ampiezza del segnale (ossia della temperatura indotta sulla superficie), mostrano le linee di livello ossia di valore costante, le quali per V = 0 sono dei cerchi attorno al centro della zona di rilevamento, nel caso in cui il laser dia luogo ad uno spot gaussiano sulla superficie S. Mentre tali linee di livello sono dei cerchi anche per V?0 nel caso della fase, per il logaritmo dell?ampiezza del segnale le linee di livello sono delle ellissi. Dal valore assoluto del gradiente di ? (r) (essendo ? la fase ed r la distanza dal centro del fascio di pompa), si ottiene sperimentalmente il valore della lunghezza di diffusione termica ?, ed infine la diffusivit? termica D del campione (mezzo/materiale in movimento che viene testato). (Si confrontino a tale proposito le rispettive equazioni della descrizione dettagliata dell?invenzione). Even if the mobile sample ? a material whose particles all move at the same speed? uniform V, the light source ? modulated with a modulator but it is not necessary then more? any spectrum analyzer as the detected signal has a frequency equal to ?, cio? to the frequency of the modulator (chopper, laser diode, electro-optical system, etc.) and will come? then used a ?lock-in? demodulation system. The so-called ?contour plots? of the phase (displacement with respect to the harmonic signal of the modulator) and of the logarithm of the amplitude of the signal (i.e. of the temperature induced on the surface), show the level lines i.e. of constant value, which for V = 0 are circles around the center of the detection zone, in the case in which the laser gives rise to a Gaussian spot on the surface S. While these level lines are circles also for V?0 in the case of the phase, for the logarithm of the signal amplitude the lines of level are ellipses. From the absolute value of the gradient of ? (r) (being ? the phase and r the distance from the center of the pump beam), we obtain experimentally the value of the thermal diffusion length ?, and finally the diffusivity? thermal D of the sample (moving medium/material being tested). (In this regard, compare the respective equations of the detailed description of the invention).

Se la velocit? V del campione non ? nota, l?inventore propone un sistema ottico (ad esempio a lente cilindrica) per focalizzare il fascio su una striscia lungo l?asse y (asse perpendicolare a V e parallelo a S). In questo caso l?andamento spaziotemporale di ?Ts, come si pu? dimostrare, ? quello riportato nella formula (17) della descrizione dettagliata. Anche in questo caso, essendo la parte temporale uguale a exp(j?t) essa non viene scritta nell?equazione (17). In sostanza, il logaritmo dell?ampiezza di segnale ha due pendenze misurabili, sA+ e sA-, le quali, assieme alle pendenze dello sfasamento (uguali e di segno opposto) ? sph, misurate davanti e dietro il piano x = 0, ossia a monte e a valle della linea centrale della striscia di incidenza del fascio di luce di pompa sulla superficie S del campione, permettono di determinare sia V che D (diffusivit? termica). (cfr. equazioni della descrizione dettagliata). If the speed? V of the sample not ? known, the inventor proposes an optical system (for example with a cylindrical lens) to focus the beam on a strip along the y axis (axis perpendicular to V and parallel to S). In this case the space-time trend of ?Ts, how can one? show, ? the one reported in the formula (17) of the detailed description. Also in this case, being the time part equal to exp(j?t) it is not written in the equation (17). Basically, the logarithm of the signal amplitude has two measurable slopes, sA+ and sA-, which, together with the slopes of the phase shift (equal and of opposite sign) ? sph, measured in front of and behind the plane x = 0, i.e. upstream and downstream of the central line of the incidence strip of the pump light beam on the surface S of the sample, allow to determine both V and D (thermal diffusivity). (cf. detailed description equations).

In generale si nota che nell?invenzione, l?andamento spazio-temporale dell?incremento di temperatura indotta sul campione in risposta all?eccitazione del laser consente di misurare dei parametri velocimetrici (nel caso di particelle mobili all?interno del campione nel suo complesso) e termofisici (D) nel caso di una velocit? costante per tutte le particelle che compongono il campione testato. In general it can be noted that in the invention, the spatio-temporal trend of the temperature increase induced on the sample in response to the excitation of the laser makes it possible to measure velocimetric parameters (in the case of mobile particles inside the sample as a whole ) and thermophysics (D) in the case of a speed? constant for all the particles that make up the tested sample.

Nell?invenzione ? essenziale che il campione, o delle sue parti (particelle mobili interne), siano in moto relativo rispetto alla sorgente di luce che ? sempre solidale (stesso sistema di riferimento fisso) al rivelatore IR. In the invention ? essential that the sample, or its parts (mobile internal particles), are in relative motion with respect to the light source which is? always integral (same fixed reference system) to the IR detector.

Il modulatore ? collegato all?analizzatore di spettro oppure ad un?unit? di controllo ed elaborazione dati, secondo i casi (prima realizzazione o seconda realizzazione dell?invenzione). Il rivelatore IR ? connesso all?analizzatore oppure all?unit? di controllo ed elaborazione, secondo i casi (prima realizzazione o seconda realizzazione dell?invenzione). The modulator? connected to the spectrum analyzer or to a unit? control and data processing, depending on the case (first implementation or second implementation of the invention). The IR detector? connected to the analyzer or to the unit? of control and processing, according to the cases (first realization or second realization of the invention).

Nelle Figure, i sistemi ottici sono rappresentati a titolo puramente illustrativo da delle lenti; in realt?, queste lenti possono essere dei sistemi ottici molto complessi e di qualsiasi tipo, laddove ci? che conta ? la loro funzione. Ad esempio, la lente Ge (al germanio) in Figura 5 deve poter formare un?immagine della luce IR (emessa dalla porzione di superficie S) sulla superficie sensibile del rivelatore IR, in tutta o parte di quest?ultima, senza formare distorsioni. Si noti che se la velocit? del campione V non ? nota (Fig. 10a), allora l?unit? di controllo pu? scambiare un segnale di feedback con dei sensori e attuatori (o mezzi di azionamento) del campione in movimento, per poter misurare e regolare in tempo reale la velocit? dello stesso campione (Fig. 10(a)). Ci? pu? essere importante nelle linee di produzione industriali che utilizzano dei trasportatori di prodotti o di pezzi da lavorare. In the Figures, the optical systems are represented for purely illustrative purposes by lenses; in reality, these lenses can be very complex optical systems of any type, wherever there is? what does it matter? their function. For example, the Ge (germanium) lens in Figure 5 must be able to form an image of the IR light (emitted by the surface portion S) on the sensitive surface of the IR detector, in all or part of the latter, without forming distortions. Note that if the speed? of the sample V not ? note (Fig. 10a), then the unit? control can? exchanging a feedback signal with the sensors and actuators (or drive means) of the moving sample, in order to be able to measure and adjust the speed in real time? of the same sample (Fig. 10(a)). There? can? be important in industrial production lines that use product or work piece conveyors.

Breve descrizione dei disegni Brief description of the drawings

La presente invenzione verr? ora descritta dettagliatamente a titolo illustrativo e non limitativo basandosi sulle due realizzazioni trattate e con riferimento ai disegni annessi, i quali mostrano queste nuove metodologie basate sull?effetto Doppler (termografia doppler) delle onde termiche, applicate per la misura nondistruttiva della diffusivit? termica dei materiali e della velocit? di particelle in moto. I disegni mostrano nel dettaglio: This invention will come now described in detail for illustrative and non-limiting purposes based on the two embodiments discussed and with reference to the annexed drawings, which show these new methodologies based on the Doppler effect (Doppler thermography) of thermal waves, applied for the non-destructive measurement of diffusivity? thermal of the materials and of the speed? of moving particles. The drawings show in detail:

FIGURA 1 la configurazione del setup/complesso di test nel caso della prima realizzazione della presente invenzione (prima variante), per la misurazione della statistica velocimetrica (posizione e velocit?) riguardante le particelle in movimento verticale nel campione di test; FIGURE 1 the configuration of the test setup/complex in the case of the first embodiment of the present invention (first variant), for measuring the velocimetric statistics (position and velocity) concerning the particles in vertical movement in the test sample;

FIGURA 2 una rappresentazione puramente schematica dell?applicazione della realizzazione di Fig. 1 della presente invenzione allo studio dell?idratazione della pelle; FIGURE 2 a purely schematic representation of the application of the embodiment of Fig. 1 of the present invention to the study of skin hydration;

FIGURA 3a un diagramma del segnale IR in funzione del tempo, nel caso del setup delle Figg.1 e 2, per determinati valori realistici dei parametri f, ?, Zo, V, D relativi all?applicazione mostrata in Fig. 2, e per una particella in avvicinamento e rispettivamente per una particella in allontanamento rispetto alla superficie del campione; FIGURE 3a a diagram of the IR signal as a function of time, in the case of the setup of Figs.1 and 2, for certain realistic values of the parameters f, ?, Zo, V, D relating to the application shown in Fig. 2, and for a particle approaching and respectively for a particle moving away from the surface of the sample;

FIGURA 3b l?andamento del guadagno esponenziale del segnale del modulo in un determinato periodo di tempo (5s); FIGURE 3b the trend of the exponential gain of the module signal in a given period of time (5s);

FIGURA 3c le curve dei valori delle velocit? V ricalcolati sulla base del ?? ricavato dalla Fig. 3a, per quella data velocit? V (costante) nell?arco dello stesso periodo di tempo (5s), con un test cieco; FIGURE 3c the curves of the values of the speeds? V recalculated on the basis of the ?? derived from Fig. 3a, for that given speed? V (constant) over the same period of time (5s), with a blind test;

FIGURA 3d l?andamento della profondit? Zo nello stesso periodo di tempo ricalcolato sulla base della Fig. 3a, nello stesso periodo di tempo (5s), con un test cieco; FIGURE 3d the trend of the depth? Zo over the same time period recalculated based on Fig. 3a, over the same time period (5s), with a blind test;

FIGURA 4 una rappresentazione schematica di un?ulteriore possibile applicazione pratica dell?invenzione, ancora una volta relativa alla prima variante della prima realizzazione, al caso della misura non distruttiva della migrazione del glucosio nel fluido interstiziale dell?epidermide, con l?utilizzo di una sorgente di lunghezza d?onda assorbibile selettivamente dalle particelle di glucosio (laser EC-QCL); FIGURA 5 la configurazione del setup/complesso di test nel caso della prima realizzazione della presente invenzione (seconda variante), per la misurazione della statistica velocimetrica (posizione e velocit?) riguardante le particelle in movimento orizzontale nel campione di test; FIGURE 4 a schematic representation of a further possible practical application of the invention, once again relating to the first variant of the first embodiment, to the case of the non-destructive measurement of glucose migration in the interstitial fluid of the epidermis, with the use of a wavelength source selectively absorbable by glucose particles (EC-QCL laser); FIGURE 5 the configuration of the setup/test complex in the case of the first embodiment of the present invention (second variant), for measuring the velocimetric statistics (position and velocity) concerning the particles in horizontal movement in the test sample;

FIGURA 6 le dinamiche temporali (col tempo normalizzato al periodo del modulatore) del segnale IR per due diversi valori del rapporto tra la velocit? V della particella e la velocit? dell?onda termica (velocit? normalizzata), rispettivamente per tre profondit? normalizzate alla lunghezza di diffusione termica, e confrontate col segnale di riferimento del fascio di pompa di frequenza angolare ?; sempre in Fig. 6 viene mostrato in basso lo shift di frequenza (normalizzato ad ?) in funzione del tempo normalizzato, per i tre valori della profondit? normalizzata, sempre nello stesso periodo di tempo degli altri diagrammi di Fig. 6; FIGURE 6 the temporal dynamics (with time normalized to the modulator period) of the IR signal for two different values of the ratio between the speed? V of the particle and the speed? of? thermal wave (speed? normalized), respectively for three depths? normalized to the thermal diffusion length, and compared to the reference signal of the pump beam of angular frequency ?; still in Fig. 6 the frequency shift is shown below (normalized to ?) as a function of the normalized time, for the three values of the depth? normalized, always in the same period of time as the other diagrams of Fig. 6;

FIGURA 7 in alto, i contour plot dello shift di frequenza normalizzato, disegnati nel piano (x, z) per valori normalizzati di x e z, per determinati valori predeterminati di ? e Zo, laddove le curve corrispondono a vari valori costanti dello shift normalizzato; in basso, i diagrammi dell?andamento dello shift di frequenza in funzione della distanza x normalizzata, sempre per la configurazione ?in plane motion? di Fig. 5; FIGURE 7 above, contour plots of normalized frequency shift, drawn in the (x,z) plane for normalized values of x and z, for given predetermined values of ? and Zo, where the curves correspond to various constant values of the normalized shift; below, the diagrams of the trend of the frequency shift as a function of the normalized distance x, again for the ?in plane motion? of Fig. 5;

FIGURA 8 un diagramma della profondit? normalizzata ricostruita (ossia ottenuta dall?equazione (13)) in funzione della profondit? normalizzata (assegnata come parametro prefissato alla particella); FIGURE 8 a diagram of the depth? normalized reconstructed (ie obtained from? equation (13)) as a function of the depth? normalized (assigned as a fixed parameter to the particle);

FIGURA 9 una possibile applicazione della prima variante della prima realizzazione dell?invenzione allo studio citometrico nei capillari o capillaroscopico, laddove le varie specie di particelle si muovono nel capillare sostanzialmente parallelamente alla superficie cutanea; FIGURE 9 a possible application of the first variant of the first embodiment of the invention to cytometric study in capillaries or capillaroscopy, where the various species of particles move in the capillary substantially parallel to the skin surface;

FIGURA 10a la configurazione del setup (complesso di componenti) di test, nel caso della prima variante della seconda realizzazione della presente invenzione, per misurare la diffusivit? termica nel campione di test mobile con velocit? V nota rispetto alla sorgente di luce e al sensore IR; FIGURE 10a the configuration of the test setup (assembly of components), in the case of the first variant of the second embodiment of the present invention, for measuring the diffusivity? thermal in the test sample mobile with speed? Note V with respect to the light source and IR sensor;

FIGURA 10b la configurazione del setup (complesso di componenti) di test, nel caso della seconda variante della seconda realizzazione della presente invenzione, per misurare la diffusivit? termica D nel campione di test e la velocit? V di quest?ultimo rispetto alla sorgente di luce e al sensore IR; FIGURE 10b the configuration of the test setup (assembly of components), in the case of the second variant of the second embodiment of the present invention, for measuring the diffusivity? thermal D in the test sample and the speed? V of the latter with respect to the light source and the IR sensor;

FIGURA 11 i contour plot (x/?, y/?) del logaritmo dell?ampiezza e della fase del segnale IR del sensore rispetto al segnale di modulazione, riferiti alle coordinate normalizzate del piano (x, y) della superficie del campione, laddove l?origine delle coordinate (x, y) coincide con il punto di incidenza centrale dello spot del fascio gaussiano, per tre diversi valori di ? = V/?(2?D) (velocit? normalizzata), in accordo con il setup della Fig. 10a; FIGURE 11 the contour plots (x/?, y/?) of the logarithm of the amplitude and phase of the sensor IR signal with respect to the modulation signal, referred to the normalized coordinates of the (x, y) plane of the sample surface, where the origin of the coordinates (x, y) coincides with the central point of incidence of the spot of the Gaussian beam, for three different values of ? = V/?(2?D) (normalized speed), according to the setup of Fig. 10a;

FIGURA 12 i diagrammi del logaritmo dell?ampiezza del modulo di segnale IR e rispettivamente del suo spostamento di fase (rispetto al segnale di modulazione della sorgente) in funzione della distanza normalizzata (x/?) dal centro della striscia di luce laser incidente (asse y); FIGURE 12 the diagrams of the logarithm of the IR signal module amplitude and respectively of its phase shift (with respect to the source modulation signal) as a function of the normalized distance (x/?) from the center of the incident laser light strip (axis y);

FIGURA 13 un locomotore per test non distruttivi su rotaia, in accordo con un?applicazione della seconda realizzazione della presente invenzione. FIGURE 13 a railroad non-destructive testing locomotive according to an application of the second embodiment of the present invention.

Descrizione di alcune realizzazioni preferite dell?invenzione Description of some preferred embodiments of the invention

Nel seguito vengono descritti tutti i dettagli utili per un tecnico del ramo ai fini della comprensione di alcune forme di esecuzione preferite dell?invenzione e di loro varianti. Verranno omessi tutti quei particolari non strettamente necessari poich? noti a chi possiede un solido bagaglio tecnico nel settore. All the details useful for a person skilled in the art for the purpose of understanding some preferred embodiments of the invention and their variants are described below. All those details not strictly necessary will be omitted since? known to those who have a solid technical background in the sector.

A) Prima realizzazione preferita dell?invenzione A) First preferred embodiment of the invention

A1) Configurazione ?out of plane motion? (Fig. 1), variante 1 A1) ?out of plane motion? configuration (Fig. 1), variant 1

All?interno di un materiale 1 si trovano alcune particelle 2 ad una certa profondit? Zo dalla superficie S. Esse sono in movimento con una velocit? V diretta lungo la normale locale z alla superficie S. La convenzione ? scelta in modo che V>0 per particelle 2 che si avvicinano alla superficie, e V<0 nel caso opposto di allontanamento. Inside a material 1 are there some particles 2 at a certain depth? Zo from the surface S. Are they moving with a velocity? V directed along the local normal z to the surface S. The convention ? chosen so that V>0 for particles 2 approaching the surface, and V<0 in the opposite case of moving away.

Un fascio laser di pompa 3 viene utilizzato come sorgente luminosa per l?eccitazione delle particelle 2 in moto. La lunghezza d?onda ? viene selezionata in modo che il materiale 1 sia (parzialmente) trasparente cosicch? il fascio 3 possa penetrare con debole attenuazione in esso, venendo infine fortemente e selettivamente assorbito dalle particelle 2 in moto che si scaldano di qualche grado centigrado. A pump laser beam 3 is used as a light source for excitation of the particles 2 in motion. The wavelength? is selected so that the material 1 is (partially) transparent so that? the beam 3 can penetrate it with weak attenuation, finally being strongly and selectively absorbed by the particles 2 in motion which heat up by a few degrees centigrade.

Il fascio laser 3 viene modulato temporalmente ad una frequenza angolare ?=2?f mediante un otturatore meccanico (chopper) 4 o con un sistema elettrottico (non mostrato), o infine da un interruttore comandato da un generatore ad onda quadra, nel caso di diodi laser (non mostrato). The laser beam 3 is temporally modulated at an angular frequency ?=2?f by means of a mechanical obturator (chopper) 4 or with an electroptic system (not shown), or finally by a switch controlled by a square wave generator, in the case of laser diodes (not shown).

Il fascio modulato 5 viene infine collimato con un sistema di lenti 6 su una opportuna area di interesse 7 del materiale (tipicamente 1mm<2>), riuscendo quindi ad illuminare anche in profondit? le particelle in moto 2. The modulated beam 5 is finally collimated with a system of lenses 6 on a suitable area of interest 7 of the material (typically 1mm<2>), thus managing to illuminate even in depth moving particles 2.

Le particelle 2 assorbendo il fascio modulato 5 divengono sorgenti in movimento di onde termiche alla frequenza angolare ?=2?f. Grazie al meccanismo della conduzione termica, il calore viene trasmesso a tutto il volume del materiale che subisce un debole innalzamento della temperatura. La temperatura indotta sulla superficie del campione 1 di materiale, come mostrato in appendice, ? anch?essa oscillante ma ad una frequenza angolare ?? =2?f? diversa da quella del fascio modulato ? a causa di un effetto Doppler sulle onde termiche recentemente scoperto dall?inventore della presente invenzione. L?innalzamento di temperatura superficiale ?Ts ? dimostrato avere una dinamica temporale (nota 1 in appendice): By absorbing the modulated beam 5, the particles 2 become moving sources of thermal waves at the angular frequency ?=2?f. Thanks to the thermal conduction mechanism, the heat is transmitted to the entire volume of the material which undergoes a slight rise in temperature. The temperature induced on the surface of the material sample 1, as shown in the appendix, is also oscillating but at an angular frequency ?? =2?f? different from that of the modulated beam? due to a Doppler effect on thermal waves recently discovered by the inventor of the present invention. The surface temperature rise ?Ts ? shown to have a temporal dynamic (note 1 in the appendix):

dove ? stata usata la seguente nomenclatura: Where ? the following nomenclature was used:

t: tempo; t: time;

I: intensit? assorbita dalla particella; I: intensity? absorbed by the particle;

?: frequenza angolare di modulazione; ?: modulation angular frequency;

D: diffusivit? termica nel campione; Q: diffusivity? thermal in the sample;

k: conducibilit? termica nel campione; k: conductivity? thermal in the sample;

?= 2 D ? : lunghezza di diffusione termica; ?= 2 D ? : thermal diffusion length;

eff =k D : effusivit? termica del campione; eff =k D : effusiveness? sample thermal;

Zo: profondit? alla quale ? inizialmente posizionata la particella; Zo: depth? to which ? initially positioned the particle;

V: velocit? della particella; V: speed? of the particle;

dell?onda termica of the thermal wave

L?aumento di temperatura indotto sulla superficie viene rilevato da un apparato radiometrico fisso operante in remote sensing a distanza di circa 20 cm dalla superficie S del campione 1 di materiale. The temperature increase induced on the surface is detected by a fixed radiometric apparatus operating in remote sensing at a distance of about 20 cm from the surface S of the material sample 1.

L?apparato di misura pu? essere alternativamente: The measuring apparatus can? alternatively be:

- una telecamera IR microbolometrica, indicata con 8 in Fig. 1, operante nel range LWIR 8-14 micron completa di ottiche per la messa a fuoco; - a microbolometric IR camera, indicated with 8 in Fig. 1, operating in the LWIR range 8-14 micron complete with optics for focusing;

- un sistema infrarosso pi? economico formato da una lente al Germanio (non mostrata in Fig. 1), per la raccolta della radiazione infrarossa emessa dalla superficie, collegata ad un sensore IR del tipo HgCdZnTe raffreddato Peltier operante nel range infrarosso SWIR 3-5 micron. - an infrared system more? economic formed by a Germanium lens (not shown in Fig. 1), for the collection of the infrared radiation emitted by the surface, connected to a Peltier cooled HgCdZnTe IR sensor operating in the infrared range SWIR 3-5 micron.

La scelta dell?apparato ? anche dettata dal range infrarosso adatto per la specifica applicazione, in modo da ricevere una radiazione infrarossa 9 solo dalla superficie S del campione 1. The choice of the apparatus? also dictated by the infrared range suitable for the specific application, so as to receive infrared radiation 9 only from the surface S of sample 1.

L?uscita del sensore infrarosso o telecamera ? collegata all?ingresso di un analizzatore di spettro 10 che riceve su una linea 11 anche il segnale di modulazione del fascio di eccitazione 3, come nelle usuali tecniche ?lock-in?. L?analizzatore 10 misura la differenza fra la frequenza di modulazione ? e la nuova frequenza rilevata dal sensore infrarosso ?? (riferimento 8), fornendo un segnale proporzionale all?incremento della temperatura superficiale ?Ts riportato in Eq. (1), scomponendo il segnale in modulo e fase. L?analisi del dato viene poi gestita da un programma software ad ?hoc?. The output of the infrared sensor or camera? connected to the input of a spectrum analyzer 10 which also receives the modulation signal of the excitation beam 3 on a line 11, as in the usual "lock-in" techniques. The analyzer 10 measures the difference between the modulation frequency ? and the new frequency detected by the infrared sensor ?? (reference 8), providing a signal proportional to the increase in surface temperature ?Ts reported in Eq. (1), decomposing the signal into module and phase. The analysis of the data is then managed by an ad hoc software program.

L?uscita dall?analizzatore di spettro 10 viene collegata tramite una linea 12 ad un computer 13 che processa i dati con un software dedicato per il calcolo dei parametri cinematici di un ensemble di particelle in moto 2. Il principio di funzionamento viene di seguito riportato schematicamente per una sola particella in moto 2. Il segnale rivelato dal sensore 8, proporzionale all?incremento di temperatura superficiale ?Ts, ? scomposto in modulo e fase dall?analizzatore di spettro 10 che fornisce inoltre lo shift di frequenza angolare secondo le seguenti formule (nota 1 in appendice): The output from the spectrum analyzer 10 is connected via a line 12 to a computer 13 which processes the data with dedicated software for calculating the kinematic parameters of an ensemble of moving particles 2. The operating principle is shown below schematically for a single moving particle 2. The signal detected by the sensor 8, proportional to the surface temperature increase ?Ts, ? broken down into module and phase by the spectrum analyzer 10 which also supplies the angular frequency shift according to the following formulas (note 1 in the appendix):

dove A ? un fattore di ampiezza che riassume tutte le costanti degli strumenti di misura. where A ? an amplitude factor that summarizes all the constants of the measuring instruments.

La stima della velocit? della particella V si ottiene dopo semplici passaggi algebrici (riportati nella nota 2 in appendice) invertendo la Eq. (2) che porta alla semplice espressione in funzione dello shift di frequenza The speed estimate? of particle V is obtained after simple algebraic steps (reported in note 2 in the appendix) by inverting Eq. (2) which leads to the simple expression as a function of the frequency shift

Una seconda espressione per la velocit? V si ottiene alternativamente anche dall?amplificazione esponenziale che subisce il modulo nel tempo quando la particella si avvicina, misurabile sperimentalmente dalla costante di tempo g (s<-1>) del guadagno esponenziale del modulo dal quale si pu? ricavare V come (vedi nota 3 in appendice) A second expression for speed? V is also obtained alternatively from? exponential amplification that undergoes the module over time when the particle approaches, experimentally measurable by the time constant g (s<-1>) of the exponential gain of the module from which one can? obtain V as (see note 3 in the appendix)

La posizione della particella 2 che parte dalla profondit? Zo viene infine calcolata dalla misura della fase ? (vedi nota 4 in appendice) come segue The position of particle 2 starting from the depth? Zo is finally calculated from the phase measurement ? (see note 4 in the appendix) as follows

Esempi di applicazioni della configurazione ?out of plane motion? Examples of applications of the ?out of plane motion? configuration

A titolo di esempio vengono riportate delle applicazioni di questa metodologia. As an example, some applications of this methodology are reported.

1) La prima in ambito biomedico riguarda lo studio della idratazione della pelle. Una delle problematiche ancora aperte ? quella della determinazione del contenuto e della migrazione di acqua nei tessuti cutanei. Mentre nel derma, che ? vascolarizzato, il contenuto di acqua ? omogeneo ed analogo a quello corporeo, circa 70%, nell?epidermide, dove l?acqua penetra per diffusione dal derma sottostante, il contenuto di acqua varia da un 70% circa nello strato basale ad un 20% circa nello strato corneo (vedi figura 2). La velocit? di diffusione dipende dal gradiente di concentrazione e pu? variare in un range ampio da 10<-7 >m/s a 10<-5 >m/s anche in virt? dell?applicazione di creme idratanti. 1) The first in the biomedical field concerns the study of skin hydration. One of the still open issues? that of the determination of the content and migration of water in the skin tissues. While in the dermis, what? vascularized, the water content ? homogeneous and similar to that of the body, about 70%, in the epidermis, where the water penetrates by diffusion from the underlying dermis, the water content varies from about 70% in the basal layer to about 20% in the stratum corneum (see figure 2). The speed? diffusion depends on the concentration gradient and pu? vary in a wide range from 10<-7 >m/s to 10<-5 >m/s also in virtue? the application of moisturizers.

In questo caso come laser di eccitazione viene utilizzato un Er:YAG che emette una radiazione alla lunghezza d?onda infrarossa di 2.94 ?m, in corrispondenza del picco di assorbimento dell?acqua, con una buona penetrazione nello strato cutaneo e trascurabili effetti di assorbimento sull?emoglobina (vedi figura 2). Ci? consente la sola eccitazione delle particelle di acqua che si diffondono verso la superficie. Il sensore 8 nel range LWIR (telecamera IR) permette invece la misura della sola temperatura cutanea. In this case an Er:YAG is used as an excitation laser which emits radiation at the infrared wavelength of 2.94 ?m, in correspondence with the water absorption peak, with good penetration into the skin layer and negligible absorption effects on hemoglobin (see figure 2). There? it allows only the excitation of the water particles that diffuse towards the surface. Sensor 8 in the LWIR range (IR camera) instead allows the measurement of skin temperature only.

La diffusivit? termica nell?epidermide e nello strato corneo vale D=1x10<-7 >m<2>/s Lo spessore dello strato corneo ? di circa 20?m. La frequenza di modulazione pu? essere scelta nell?intervallo [1Hz ? 100Hz] in modo da avere una lunghezza di diffusione termica ? [10?m ? 100?m] cos? da poter studiare il fenomeno della migrazione fino alla giusta profondit?. The diffusivity? temperature in the epidermis and stratum corneum is D=1x10<-7 >m<2>/s The thickness of the stratum corneum ? of about 20?m. The modulation frequency pu? be chosen in the interval [1Hz ? 100Hz] in order to have a thermal diffusion length ? [10?m ? 100?m] cos? to be able to study the phenomenon of migration up to the right depth.

Nell?esempio vengono scelti i seguenti parametri: f=3Hz, ?=100?m, Zo=20?m, V=4?10<-6 >m/s. I grafici in Fig. 3a si riferiscono ad una simulazione numerica del segnale rilevato per una particella in moto di avvicinamento alla superficie (curva rossa) confrontato con quello della stessa particella viaggiante in senso opposto (curva blu). In figura 3b) sono riportate le simulazioni dei moduli che come atteso hanno un andamento esponenziale crescente (exp(g?t) con g>0) per la particella in avvicinamento e decrescente nel caso opposto (con g<0). In the example the following parameters are chosen: f=3Hz, ?=100?m, Zo=20?m, V=4?10<-6 >m/s. The graphs in Fig. 3a refer to a numerical simulation of the signal detected for a particle moving towards the surface (red curve) compared with that of the same particle traveling in the opposite direction (blue curve). Figure 3b) shows the simulations of the modules which, as expected, have an increasing exponential trend (exp(g?t) with g>0) for the approaching particle and decreasing in the opposite case (with g<0).

Per l?analisi del segnale si ? proceduto ad una elaborazione dati in ?cieco? in cui i dati simulati in figura 3a) sono stati processati da un analizzatore di spettro insieme ai dati di riferimento del modulatore, senza alcuna informazione sulla velocit? e posizione della particella impostate nella simulazione. In pratica l?analizzatore di spettro calcola la frequenza angolare ?? dall?intervallo di tempo ?to che intercorre fra due passaggi consecutivi per lo 0 del segnale IR, tramite la formula ??=?/?to. Confronta la frequenza angolare percepita ?? con quella originaria della modulazione ?, calcolando lo shift di frequenza ??=??- ?. For the analysis of the signal yes ? proceeded to a data processing in ?blind? in which the data simulated in figure 3a) have been processed by a spectrum analyzer together with the reference data of the modulator, without any information on the speed? and particle position set in the simulation. In practice, the spectrum analyzer calculates the angular frequency ?? from the time interval ?to that elapses between two consecutive passages for the 0 of the IR signal, using the formula ??=?/?to. Compare the perceived angular frequency ?? with the original one of the modulation ?, calculating the frequency shift ??=??- ?.

?ell?esempio in figura 3a) la frequenza angolare percepita per la curva rossa ? valutata 14 volte durante un periodo di osservazione di 5 secondi fornendo il valor medio ??=18.888 rad/s a fronte della frequenza angolare originaria ?=18.850 rad/s, con uno shift di frequenza ??=??- ?=0.039 rad/s. ? In the example in figure 3a) the perceived angular frequency for the red curve ? evaluated 14 times during an observation period of 5 seconds providing the average value ??=18.888 rad/s against the original angular frequency ?=18.850 rad/s, with a frequency shift ??=??- ?=0.039 rad/ s.

Dalla misura dello shift ??, ed assumendo nota la lunghezza di diffusione termica nella pelle <? = 2 D ? >=103?m, la velocit? della particella ? stata calcolata mediante la Eq. 3 durante il periodo di osservazione di 5 secondi. In Fig. 3c vengono riportate le stime ottenute con questa procedura per le due velocit? ?4?10<-6>m/s (con segno positivo per la curva rossa e negativo per la blu). Le velocit? cos? ricostruite dalla elaborazione dati in ?cieco? sono in ottimo accordo con le velocit? impostante all?inizio della simulazione, con uno scostamento di ?1% di natura casuale, non sistematica, riconducibile alla risoluzione dell?analizzatore di spettro e quindi al tempo di campionamento del segnale IR, soggetto quindi a miglioramenti aumentando la precisione della strumentazione utilizzata. From the measurement of the shift ??, and assuming the known length of thermal diffusion in the skin <? = 2 D ? >=103?m, the speed? of the particle? was calculated using Eq. 3 during the 5 second observation period. Fig. 3c shows the estimates obtained with this procedure for the two speeds? ?4?10<-6>m/s (with positive sign for the red curve and negative for the blue one). The speeds? what? reconstructed from data processing in ?blind? are in excellent agreement with the speed? set at the beginning of the simulation, with a deviation of ?1% of a random, non-systematic nature, attributable to the resolution of the spectrum analyzer and therefore to the sampling time of the IR signal, therefore subject to improvements by increasing the precision of the instrumentation used.

L?analizzatore di spettro misura anche un valore di shift di fase ?= -0.98 rad, dal quale, applicando la Eq. 5, si calcola la stima sulla posizione iniziale Zo=20?m (mostrata in Fig. 3d) in ottimo accordo con il valore impostato inizialmente nelle simulazioni. The spectrum analyzer also measures a phase shift value ?= -0.98 rad, from which, by applying Eq. 5, the estimate on the initial position Zo=20?m (shown in Fig. 3d) is calculated in excellent agreement with the value set initially in the simulations.

La velocit? della particella si calcola anche con un secondo metodo che sfrutta la formula in Eq. (4). Infatti dall?ampiezza del segnale IR simulato e riportato in figura 3b) si calcola dapprima la costante di tempo della legge esponenziale di valore g=0.0039 s<-1>, e successivamente, applicando la Eq. (4) con D=1x10<-7 >m<2>/s, si arriva ad una stima della velocit? della particella 4?10<-6>m/s (curva rossa) molto vicina al valore effettivo. Anche in questo caso valgono le medesime osservazioni fatte precedentemente circa l?errore di misura legato alla precisione degli strumenti ed in particolare al rapporto segnale/rumore complessivo nella catena di misura. Si sottolinea inoltre che nel caso di un ensemble di particelle in moto con diverse velocit?, data la linearit? del sistema, il segnale IR ? il risultato della sovrapposizione degli effetti causati dal moto di ogni singola particella. Il segnale complessivo processato dall?analizzatore di spettro mostra quindi una banda di frequenze corrispondente alla distribuzione delle varie velocit?. Dalla deconvoluzione del segnale, per ciascuna frequenza ?? viene calcolato il modulo M(??) che risulta proporzionale alla concentrazione delle particelle viaggianti alla corrispondente velocit? V(??). Quindi dallo spettro del modulo M(??) viene anche ricostruita la statistica delle velocit? dell?ensemble di particelle. The speed? of the particle is also calculated with a second method which exploits the formula in Eq. (4). In fact, from the amplitude of the IR signal simulated and shown in figure 3b), the time constant of the exponential law of value g=0.0039 s<-1> is first calculated, and subsequently, by applying Eq. (4) with D=1x10<-7 >m<2>/s, does one arrive at an estimate of the speed? of the particle 4?10<-6>m/s (red curve) very close to the effective value. Also in this case the same observations made previously regarding the measurement error linked to the precision of the instruments and in particular to the overall signal/noise ratio in the measurement chain are valid. It is also emphasized that in the case of an ensemble of particles in motion with different speeds, given the linearity of the system, the IR signal ? the result of the superimposition of the effects caused by the motion of each single particle. The overall signal processed by the spectrum analyzer therefore shows a frequency band corresponding to the distribution of the various speeds. From the deconvolution of the signal, for each frequency ?? is calculated the module M(??) which is proportional to the concentration of the particles traveling at the corresponding speed? V(??). Then from the spectrum of the module M(??) is also reconstructed the statistics of the speed? of the particle ensemble.

2) Un altro esempio sempre nel campo biomedico ? la misura nondistruttiva della migrazione del glucosio nel fluido interstiziale dell?epidermide (Fig. 4). 2) Another example still in the biomedical field? the nondestructive measurement of glucose migration into the interstitial fluid of the epidermis (Fig. 4).

In questo caso deve essere usato un laser EC-QCL che possa essere selettivamente assorbito dal glucosio. In questo caso il regime delle frequenze ? [0.05Hz ? 1Hz] in modo da avere una lunghezza di diffusione termica ? [100?m ? 1mm] cos? da poter studiare il fenomeno della migrazione nel derma ed epidermide con la stessa metodologia descritta precedentemente. In this case an EC-QCL laser that can be selectively absorbed by glucose should be used. In this case the frequency regime ? [0.05Hz ? 1Hz] in order to have a thermal diffusion length ? [100?m ? 1mm] what? to be able to study the phenomenon of migration in the dermis and epidermis with the same methodology described previously.

3) Altre applicazioni nel campo dei controlli nondistruttivi riguardano la cinematica di microbolle di aria, olii e di altri aggregati nella produzione di prodotti liquidi miscelati, e la determinazione della concentrazione e dei parametri cinematici di impurit?, di prodotti aggregati e/o addensati nei processi produttivi di olii, vini, succhi e prodotti fluidi in genere. 3) Other applications in the field of non-destructive testing concern the kinematics of micro-bubbles of air, oils and other aggregates in the production of mixed liquid products, and the determination of the concentration and kinematic parameters of impurities, of aggregated and/or thickened products in production processes of oils, wines, juices and fluid products in general.

A2) Configurazione ?in plane motion? (Fig. 5), variante 2 A2) Configuration ?in plane motion? (Fig. 5), variant 2

Questa configurazione viene applicata per misurare particelle 2? in moto lungo il piano (x, y) o superficie del campione 1. Si ipotizza che all?interno di un materiale 1 si trovino particelle 2? ad una certa profondit? Zo dalla superficie S, in movimento con velocit? V diretta lungo una qualunque direzione nel piano xy. Senza perdita di generalit? nello schema in Fig. 5 l?asse x ? stato scelto come asse del moto: la convenzione sul segno della velocit? ? scelta in modo che V>0 per una particella che si avvicina alla zona dove viene misurata la temperatura, mentre V<0 vale nel caso opposto di allontanamento. Is this setup applied to measure particles 2? in motion along the (x, y) plane or surface of sample 1. Is it hypothesized that particles 2 are found inside a material 1? at a certain depth? Zo from surface S, moving with velocity? V directed along any direction in the xy plane. Without loss of generality? in the diagram in Fig. 5 the x axis? been chosen as the axis of motion: the convention on the sign of the speed? ? chosen so that V>0 for a particle that approaches the area where the temperature is measured, while V<0 is valid in the opposite case of moving away.

Il sistema di eccitazione e l?apparato di misura sperimentale sono gli stessi descritti nella configurazione ?out of plane motion?, con le sole differenze sulla messa a fuoco degli strumenti. The excitation system and the experimental measurement apparatus are the same described in the ?out of plane motion? configuration, with the only differences in the focus of the instruments.

In particolare nella configurazione ?in plane motion? (Fig. 5) il fascio di pompa 3 non viene focalizzato ma collimato in modo da illuminare una area 7? di circa 1cm<2 >potendo cos? seguire la dinamica delle particelle 2? lungo l?asse delle x. Inoltre il detector infrarosso 8a viene calibrato con diaframma in modo da limitarne l?area sensibile (0.5mm x 0.5mm). Questo consente di ricevere il segnale solo da una limitata zona sulla superficie del campione (0.5mm x 0.5mm), grazie ad una lente al Germanio 8b che riproduce l?immagine dell?area sensibile del detector 1:1. La singola particella 2? assorbe il fascio modulato 5 e diviene sorgente in movimento di onde termiche alla frequenza angolare ?=2?f. il calore viene trasmesso per conduzione a tutto il volume del materiale 1 che subisce un debole innalzamento della temperatura. Le simulazioni numeriche della temperatura indotta sono effettuate qui calcolando dapprima la funzione di risposta di una particella puntiforme posizionata nel punto rS?(xS,yS,zS) e scaldata impulsivamente con la energia di 1J. Lo studio di tale funzione in grado di soddisfare le condizioni al contorno all?interfaccia fra materiale ed aria, porta all?espressione In particular in the ?in plane motion? (Fig. 5) is the pump beam 3 not focused but collimated so as to illuminate an area 7? of about 1cm<2 >being able so? follow particle dynamics 2? along the x axis. Furthermore, the 8a infrared detector is calibrated with a diaphragm in order to limit its sensitive area (0.5mm x 0.5mm). This allows to receive the signal only from a limited area on the surface of the sample (0.5mm x 0.5mm), thanks to a Germanium 8b lens which reproduces the image of the sensitive area of the detector 1:1. The single particle 2? absorbs the modulated beam 5 and becomes a moving source of thermal waves at the angular frequency ?=2?f. the heat is transmitted by conduction to the entire volume of the material 1 which undergoes a slight rise in temperature. The numerical simulations of the induced temperature are performed here by first calculating the response function of a point particle positioned at the point rS?(xS,yS,zS) and impulsively heated with the energy of 1J. The study of this function capable of satisfying the boundary conditions at the interface between material and air leads to the expression

Tale espressione viene poi utilizzata anche nel caso di potenza assorbita con legge armonica P?exp(j?t). In questo caso l?innalzamento di temperatura ?T si ottiene dall?integrale di convoluzione della risposta impulsiva in Eq. (6) con l?espressione della potenza assorbita con legge armonica come segue This expression is then also used in the case of absorbed power with harmonic law P?exp(j?t). In this case the temperature rise ?T is obtained from the convolution integral of the impulsive response in Eq. (6) with the expression of the absorbed power with harmonic law as follows

dove ? stata usata la seguente nomenclatura: Where ? the following nomenclature was used:

t: tempo attuale, ?: tempo al momento in cui la particella viene scaldata; t: current time, ?: time at the moment the particle is heated;

P: potenza assorbita dalla particella; P: power absorbed by the particle;

?: frequenza angolare di modulazione; ?: modulation angular frequency;

D: diffusivit? termica del campione; Q: diffusivity? sample thermal;

C: calore specifico del campione; C: specific heat of the sample;

?: densit? del campione; ?: density? of the sample;

: rapporto fra la velocit? della particella V e quella dell?onda termica : relationship between the speed? of the V particle and that of the thermal wave

: lunghezza di diffusione termica; : thermal diffusion length;

dove inoltre il punto sorgente viaggia alla velocit? V come indicato in figura da cui: where also the source point travels at the speed? V as indicated in the figure from which:

zS =Zo: profondit? costante alla quale viaggia la particella; zS =Zo: depth? constant at which the particle travels;

xS=xo-V?: posizione della particella al momento in cui viene scaldata xS=xo-V?: position of the particle at the time it is heated

yS=0; perch? il moto avviene solo sull?asse x; yS=0; why? the motion occurs only on the x axis;

Da una serie di simulazioni effettuate al variare di tutti i parametri della Eq. (7) si dimostra che, anche nella configurazione ?motion in plane?, una particella 2? illuminata con luce 3 modulata alla frequenza angolare ?, viaggiante ad una profondit? Zo lungo x con velocit? V, genera un?onda termica che viene rilevata in superficie da un sensore IR 8a ad una frequenza angolare maggiorata ??> ? durante la fase in cui la particella 2? si avvicina alla zona di rivelazione, che diminuisce poi ??< ? durante la fase di allontanamento con una certa analogia con l?effetto Doppler in acustica. In Fig. 6 vengono riportati due esempi di dinamiche temporali del segnale IR per velocit? normalizzate ?=0.03, e ?=0.1 in funzione del tempo normalizzato al periodo t/T. Le curve si riferiscono a diverse profondit? normalizzate alla lunghezza di diffusione termica Zo/? da 0.25 ad 1, e confrontate con il segnale di riferimento del fascio di pompa alla frequenza angolare ?. In tutte le curve si ritrova un massimo del segnale durante il transito della particella lungo la verticale sottostante la zona di ricezione del detector (per t/T?3), istante che divide la fase iniziale di avvicinamento con ??> ?, con quella finale di allontanamento ??<?. From a series of simulations carried out by varying all the parameters of Eq. (7) it is shown that, also in the ?motion in plane? configuration, a particle 2? illuminated with light 3 modulated at the angular frequency ?, traveling at a depth? Zo along x with speed? V, generates a thermal wave which is detected on the surface by an IR sensor 8a at an increased angular frequency ??> ? during the phase in which particle 2? approaches the detection zone, which then decreases ??< ? during the withdrawal phase with a certain analogy with the Doppler effect in acoustics. Fig. 6 shows two examples of temporal dynamics of the IR signal for speed? normalized ?=0.03, and ?=0.1 as a function of time normalized to the period t/T. Do the curves refer to different depths? normalized to the thermal diffusion length Zo/? from 0.25 to 1, and compared with the pump beam reference signal at angular frequency ?. In all the curves we find a maximum of the signal during the transit of the particle along the vertical line below the detector reception area (for t/T?3), an instant which divides the initial phase of approach with ??> ?, with that departure ending ??<?.

Come ulteriore prova in Fig. 6 viene riportata la variazione percentuale di frequenza ??/? calcolata dal segnale IR durante il moto della particella 2? per ?=0.03 a diverse profondit?. Questa figura chiarisce come ??/? passi da positiva (avvicinamento) a negativa (allontanamento). Lo shift massimo di frequenza coincide con quello descritto nella Eq. (2) As further proof, Fig. 6 shows the percentage variation in frequency ??/? calculated from the IR signal during the motion of particle 2? for ?=0.03 at different depths?. This figure clarifies how ??/? changes from positive (approaching) to negative (moving away). The maximum frequency shift coincides with that described in Eq. (2)

dove ancora i segni /- sono per la fase di avvicinamento e di allontanamento. Invertendo la Eq. (8) si dimostra che la stima della velocit? V della particella dai dati di ?? ? ottenibile mediante analoga espressione alla Eq. (3) usata per la prima configurazione where again the signs /- are for the approach and departure phase. By inverting Eq. (8) it is shown that the estimate of the speed? V of the particle from the data of ?? ? obtainable by analogous expression to Eq. (3) used for the first configuration

La stima della profondit? Zo cui viaggia la particella ? ottenibile dallo studio della The depth estimate? Zo to which the particle travels? obtainable from the study of

dinamica dello shift di frequenza La prova viene fornita in Figura 7 dove frequency shift dynamics The proof is provided in Figure 7 where

vengono riportati i risultati teorici del osservabile in ogni punto del piano xz per una particella in moto alla velocit? normalizzata ?=0.03, alla profondit? normalizzata Zo/?=1.5. Il contour plot svela che lo shift di frequenza osservato in un punto della superficie ? legato anche all?angolo ? di inclinazione tra particella, che si trova nella posizione (0, Zo), ed il punto di osservazione sulla superficie, che si trova nella posizione (x, 0), secondo la legge are reported the theoretical results of the observable at each point of the xz plane for a particle in motion at the speed? normalized ?=0.03, to the depth? normalized Zo/?=1.5. The contour plot reveals that the frequency shift observed at a point on the surface ? tied also to? the corner ? of inclination between the particle, which is in the position (0, Zo), and the observation point on the surface, which is in the position (x, 0), according to the law

La validit? della Eq. (10) ? provata nella figura 7 (in basso) dove vengono riportati The validity? of Eq. (10) ? proven in figure 7 (below) where they are reported

i risultati delle simulazioni di (con Eq.7) in funzione di x/? e per diversi valori di Zo/?, insieme ai valori attesi usando la formula (10) (curve nere). Le curve the results of the simulations of (with Eq.7) as a function of x/? and for different values of Zo/?, together with the expected values using formula (10) (black curves). The curves

manifestano la massima variazione per x=0 (quando la particella transita sotto il detector e ?=0). Dalla Eq. (10) si calcola il valore della derivata dello shift di frequenza nel tempo show the maximum variation for x=0 (when the particle passes under the detector and ?=0). From Eq. (10) the value of the derivative of the frequency shift over time is calculated

che raggiunge il valore massimo in x=0 which reaches the maximum value at x=0

L?Eq. (12) viene utilizzata per ricavare la profondit? Zo cui viaggia la particella Eq. (12) is used to derive the depth? Zo which the particle travels

Applicando la Eq. (13) ? possibile quindi fornire una stima di Zo. Anche in questo caso ? stato fatto un esperimento virtuale in ?cieco? facendo delle simulazioni numeriche per calcolare il segnale IR di una particella viaggiante con velocit? V alla profondit? Zo. Il segnale ? stato poi processato da un analizzatore di spettro che ha misurato lo shift di frequenza relativo ??/? in funzione del tempo (Fig. 6) senza alcuna informazione sulla velocit? e posizione della particella impostate nella simulazione. Elaborando tale dato come previsto dalla Eq. (13) ? stata ricostruita la profondit? Zrec della particella. A conclusione dell?esperimento virtuale in ?cieco? il valore Zrec ? stato confrontato con il valore reale delle profondit? Zo settata nella simulazione. In Fig. 8 viene riportata la stima della profondit? Zrec in funzione della profondit? reale Zo. Il grafico ? universale e normalizzato rispetto alla lunghezza di diffusione termica ?. By applying Eq. (13) ? It is therefore possible to provide an estimate of Zo. Also in this case ? was a virtual experiment done in ?blind? doing numerical simulations to calculate the IR signal of a particle traveling with speed? V at depth Zo. The signal ? was then processed by a spectrum analyzer which measured the relative frequency shift ??/? as a function of time (Fig. 6) without any information on the speed? and particle position set in the simulation. By processing this data as required by Eq. (13) ? been reconstructed the depth? Particle zrec. At the conclusion of the virtual experiment in ?blind? the Zrec value? been compared with the real value of the depth? Zo set in the simulation. Fig. 8 shows the estimate of the depth? Zrec as a function of depth? real Zo. The graph? universal and normalized with respect to the thermal diffusion length ?.

La bisettrice in nero rappresenta il caso ideale di perfetta ricostruzione della profondit?. Gli scostamenti dal caso ideale sono <5%. Scostamenti pi? rilevanti si hanno quando Zo>1.5? quando cio? la particella 2? si trova in una zona troppo profonda rispetto alla lunghezza di diffusione termica. The black bisector represents the ideal case of perfect depth reconstruction. Deviations from the ideal case are <5%. deviations more relevant when Zo>1.5? when what? particle 2? is too deep for the thermal diffusion length.

Esempi di applicazioni della configurazione ?in plane motion? Examples of applications of the configuration ?in plane motion?

1) A titolo di esempio viene riportata una applicazione di questa metodologia in ambito biomedico sullo studio citometrico nei capillari o capillaroscopico. Un tale sistema pu? consentire la determinazione di posizione e velocit? di globuli rossi, piastrine, aggregati piastrinici, aggregati con cellule tumorali e micro emboli in vasi e capillari sottili. 1) As an example, an application of this methodology in the biomedical field is reported on the cytometric study in capillaries or capillaroscopy. Such a system can allow the determination of position and speed? of red blood cells, platelets, platelet aggregates, aggregates with tumor cells and micro emboli in fine vessels and capillaries.

La lunghezza d?onda del fascio di eccitazione 3 viene scelta in modo da poter penetrare la barriera dell?epidermide ed essere assorbita selettivamente da globuli rossi o dai microemboli. A tal riguardo l?utilizzo di un laser operante a 4 possibili lunghezze d?onda differenti (532, 671, 820, e 1064 nm) permette di distinguere il contributo delle varie specie in moto in base alle differenti propriet? assorbenti dalle varie famiglie di particelle 2? in moto. The wavelength of the excitation beam 3 is chosen so as to be able to penetrate the epidermis barrier and be selectively absorbed by red blood cells or microemboli. In this regard, the use of a laser operating at 4 possible different wavelengths (532, 671, 820, and 1064 nm) allows us to distinguish the contribution of the various species in motion on the basis of the different properties? absorbents from the various families of particles 2? By motorbike.

Il sensore nel range LWIR permette invece la misura della sola temperatura cutanea. The sensor in the LWIR range instead allows the measurement of skin temperature only.

La diffusivit? termica nel derma vale D=1x10<-7 >m<2>/s The diffusivity? thermal in the dermis is D=1x10<-7 >m<2>/s

La zona indagata ? nel derma e nel tessuto sottocutaneo da 0.5 a 2 mm sotto la superficie. La frequenza di modulazione ? pu? essere scelta nell?intervallo [0.05 Hz ? 0.5 Hz] in modo da avere una lunghezza di diffusione termica ? [0.2 mm ? 1 mm] cos? da poter studiare il fenomeno fino alla giusta profondit?. The area under investigation? in the dermis and subcutaneous tissue 0.5 to 2 mm below the surface. The modulation frequency? can? be chosen in the interval [0.05 Hz ? 0.5 Hz] in order to have a thermal diffusion length ? [0.2mm ? 1mm] what? to be able to study the phenomenon up to the right depth.

La velocit? V dei globuli nei capillari pi? sottili pu? essere molto lenta nel range [0.1 mm/s ? 1mm/s], per cui la velocit? normalizzata ? cade nel range [0.1 - 3]. In questo range di valori ? possibile utilizzare le formule dalla Eq. (9) alla Eq. (13) per la stima dei parametri posizionali e velocimetrici delle particelle in moto nei capillari. The speed? V of the blood cells in the capillaries pi? thin pu? be very slow in the range [0.1 mm/s ? 1mm/s], for which the speed? normalized ? falls in the range [0.1 - 3]. In this range of values? You can use the formulas from Eq. (9) to Eq. (13) for the estimation of the positional and velocity parameters of the particles moving in the capillaries.

B) Seconda realizzazione preferita dell?invenzione B) Second preferred embodiment of the invention

In questa seconda realizzazione dell?invenzione viene descritta una tecnica per misurare la diffusivit? termica di materiali in remote sensing con tecniche radiometriche o termografiche infrarosse. This second embodiment of the invention describes a technique for measuring the diffusivity? thermal of materials in remote sensing with infrared radiometric or thermographic techniques.

Una delle principali applicazioni nel campo dell?ingegneria termica, riguarda la misura accurata della diffusivit? termica dei solidi. Negli ultimi anni sono stati proposti molti setup sperimentali per misurare i parametri termici di diversi tipi di materiali e forme: bulk, film sottili ecc. In tutti questi apparati sperimentali il campione in esame viene fissato su un porta-campioni e riscaldato da sorgenti laser modulate in frequenza o impulsate. One of the main applications in the field of thermal engineering concerns the accurate measurement of the diffusivity? thermal solids. In recent years, many experimental setups have been proposed to measure the thermal parameters of different types of materials and shapes: bulk, thin films, etc. In all these experimental apparatuses the sample under examination is fixed on a sample holder and heated by frequency modulated or pulsed laser sources.

Nella presente invenzione viene proposta una metodologia originale per la misura della diffusivit? termica di materiali che si muovono a velocit? costante. Questo nuovo approccio prevede di utilizzare un apparato di misura fisso (o in moto relativo rispetto al campione) che ispeziona un materiale/campione in moto (relativo rispetto all?apparato di misura) che scorre ad esempio su una linea di produzione. La metodologia di misura risponde quindi ai requisiti dei processi industriali di produzione, ispezione e controllo di qualit? in linea, dove i parametri termici locali devono essere misurati in tempo reale, senza interrompere la catena di produzione. In the present invention an original methodology is proposed for measuring the diffusivity? heat of materials moving at speed? constant. This new approach envisages the use of a stationary measuring apparatus (or in relative motion with respect to the sample) which inspects a moving material/sample (relative with respect to the measuring apparatus) which flows for example on a production line. Does the measurement methodology therefore meet the requirements of industrial production, inspection and quality control processes? online, where local thermal parameters must be measured in real time, without interrupting the production chain.

Nella figura 10 viene presentato uno schema rappresentativo di un apparato di misura. Il campione 1? ? soggetto ad una traslazione a velocit? costante V lungo l?asse orizzontale x come avviene lungo una linea di produzione. Il materiale 1? viene riscaldato da un fascio laser di pompa 3 ?fisso?, modulato alla frequenza angolare ?, focalizzato sul campione 1? da una lente cilindrica 6 (Fig. 10b) in modo da generare una onda termica piana lungo il piano yz. Alternativamente in una seconda configurazione (Fig. 10a) viene scelta una lente 6 in grado di focalizzare il fascio su uno spot gaussiano di piccole dimensioni [10 - 50?m]. Per l?ispezione ed il controllo nondistruttivo in remote sensing viene utilizzata una telecamera infrarossa ?fissa? 8, ossia solidale con il sistema di eccitazione, che utilizza la tecnica lock-in per rilevare in ampiezza e fase il segnale infrarosso emesso dalla superficie S del campione. In questo caso la frequenza angolare rilevata ? coincide con quella imposta dalla modulazione del fascio ? poich? la sorgente di luce/calore 3 e il rivelatore 8 non sono in moto relativo fra loro. Figure 10 shows a representative diagram of a measuring apparatus. Champion 1? ? subject to a translation at speed? constant V along the horizontal x axis as it occurs along a production line. Material 1? is heated by a ?fixed? pump laser beam 3, modulated at the angular frequency ?, focused on the sample 1? by a cylindrical lens 6 (Fig. 10b) so as to generate a plane thermal wave along the plane yz. Alternatively, in a second configuration (Fig. 10a) a lens 6 is chosen which is capable of focusing the beam on a Gaussian spot of small dimensions [10 - 50?m]. A ?fixed? infrared camera is used for inspection and non-destructive control in remote sensing? 8, ie integral with the excitation system, which uses the lock-in technique to detect the infrared signal emitted by the surface S of the sample in terms of amplitude and phase. In this case, the angular frequency detected ? does it coincide with that imposed by the modulation of the beam? because? the light/heat source 3 and the detector 8 are not in relative motion to each other.

? importante sottolineare che la metodologia qui descritta ? originale e si differenzia da altri metodi recenti dove il campione 1? in movimento viene riscaldato da un raggio laser focalizzato in continua (c.w.), senza alcuna modulazione temporale [21]. Circa questa precedente metodologia ? da precisare che l?applicazione della tecnica termografica con riscaldamento in continua da un lato presenta il vantaggio di una semplificazione del setup sperimentale cha fa a meno del modulatore 4 e del sistema 15 lock-in di demodulazione, ma dall?altro presenta una serie di svantaggi rispetto alle tecniche modulate: a) una eccessiva sensibilit? al rumore per esempio dovuto a sorgenti termiche esterne al sistema; b) la difficolt? nel filtrare segnali indesiderati dovuti a fasci riflessi o scatterati dal campione che entrano per errore nella area sensibile della termocamera IR; c) la necessit? di utilizzare elevate potenze per migliorare il rapporto segnale rumore, che scaldano il materiale di varie decine di gradi con rischio di degrado nei materiali biologici, come anche di effetti termici nonlineari per la eccessiva variabilit? dei parametri termici con la temperatura. ? important to underline that the methodology described here ? original and differs from other recent methods where sample 1? in movement it is heated by a laser beam focused in continuous (c.w.), without any temporal modulation [21]. About this previous methodology? to specify that the application of the thermographic technique with continuous heating on the one hand has the advantage of a simplification of the experimental setup which does without the modulator 4 and the demodulation lock-in system 15, but on the other it presents a series of disadvantages compared to the modulated techniques: a) excessive sensitivity? to noise for example due to thermal sources external to the system; b) the difficulty? in filtering unwanted signals due to beams reflected or scattered by the sample which mistakenly enter the sensitive area of the IR camera; c) the need? to use high powers to improve the signal-to-noise ratio, which heat the material by several tens of degrees with the risk of degradation in biological materials, as well as non-linear thermal effects due to the excessive variability? of thermal parameters with temperature.

Questi svantaggi sono invece superati utilizzando la tecnica con la modulazione temporale descritta nella presente domanda di brevetto. These disadvantages are instead overcome by using the technique with time modulation described in the present patent application.

Da una serie di simulazioni effettuate sulla base delle Eq. (6) e (7) al variare di tutti i parametri si dimostra che le immagini infrarosse della superficie (piano xy) presentano delle distorsioni ed asimmetrie dovute al moto del campione 1?, come mostrato dalle simulazioni numeriche riportate nella Figura 11 relative alla configurazione in Figura 10a. From a series of simulations carried out on the basis of Eqs. (6) and (7) as all the parameters vary, it is shown that the infrared images of the surface (xy plane) show distortions and asymmetries due to the motion of sample 1?, as shown by the numerical simulations shown in Figure 11 relating to the configuration in Figure 10a.

I contour plot nelle figure 11 mostrano il logaritmo dell?ampiezza del segnale (figure 11 a, c, e) e lo sfasamento rispetto al segnale armonico del modulatore (figure 11 b, d, f). Le curve di livello sono mostrate in funzione della posizione sulla superficie del campione, con entrambe ascisse x/? ed ordinate y/? normalizzate alla lunghezza di diffusione termica per dare maggiore universalit? ai grafici. Le figure si riferiscono a tre valori della velocit? normalizzata The contour plots in figures 11 show the logarithm of the signal amplitude (figures 11 a, c, e) and the phase shift with respect to the harmonic signal of the modulator (figures 11 b, d, f). Contour lines are shown as a function of position on the sample surface, with both abscissas x/? and order y/? normalized to the length of thermal diffusion to give greater universality? to the graphs. The figures refer to three values of the speed? normalized

=0, 0.5, 1 (si noti che le figure sono perfettamente simmetriche per ?=0 =0, 0.5, 1 (note that the figures are perfectly symmetric for ?=0

quando il campione ? fermo). when the sample ? stopped).

Tuttavia nelle figure 11 (b, d, f) si vede anche che la fase del segnale conserva la sua simmetria radiale nel piano xy indipendentemente dal valore della velocit? ?. La fase del segnale si pu? esprimere come However in figures 11 (b, d, f) it is also seen that the phase of the signal retains its radial symmetry in the xy plane regardless of the value of the speed? ?. The phase of the signal can you? express how

dove ? la distanza dal centro del fascio di pompa, mentre Where ? the distance from the center of the pump beam, while

come noto. La Eq. (14) mostra un andamento as it is known. Eq. (14) shows a trend

della fase che decresce linearmente con la distanza r. Dall?andamento lineare si pu? calcolare il valore assoluto della pendenza sph of the phase which decreases linearly with the distance r. From?linear trend you can? calculate the absolute value of the sph slope

(15) (15)

che ? legata alla lunghezza di diffusione termica ? e conseguentemente alla diffusivit? termica. Dopo qualche passaggio algebrico riassunto nella nota 5 in appendice ? possibile raggiungere l?espressione della stima della diffusivit? termica secondo la formula That ? related to the thermal diffusion length ? and consequently to the diffusivity? thermal. After a few algebraic passages summarized in note 5 in the appendix ? is it possible to reach the expression of the estimate of the diffusivity? thermal according to the formula

? facile anche verificare che nel caso particolare di campione fermo (V=0) la Eq. ? it is also easy to verify that in the particular case of a stationary sample (V=0) Eq.

(16) converge verso la nota espressione utilizzata per la (16) converges towards the known expression used for the

determinazione della diffusivit? di materiali con le tradizionali misure statiche con campione fermo. Il questo senso la Eq. (16) riflette un nuovo approccio e rappresenta una nuova formula originale che permette di estendere le misure di diffusivit? a campioni in movimento, che ad esempio traslano a velocit? controllata V lungo una linea di produzione. determination of the diffusivity? of materials with traditional static measurements with stationary sample. In this sense Eq. (16) reflects a new approach and represents a new original formula that allows to extend the measures of diffusivity? samples in motion, which for example translate at speed? subsidiary V along a production line.

La Eq. (16) pu? per? essere utilizzata solo quando ? nota la velocit? V di traslazione del campione 1?. Nel caso in cui invece siano incognite sia la diffusivit? termica D che la velocit? V ? invece indicato utilizzare la seconda configurazione in Fig. 10b che usa una lente ottica cilindrica 6 per focalizzare il fascio su una striscia lungo l?asse y. Questa configurazione ? particolarmente robusta per la semplicit? della raccolta del segnale infrarosso che viene misurato ed analizzato solo lungo l?asse x, con evidente risparmio dei tempi di misura del sensore infrarosso 8. Eq. (16) can? For? be used only when ? note the speed? Translation V of sample 1?. If, on the other hand, both the diffusivity? thermal D that the speed? V ? instead it is indicated to use the second configuration in Fig. 10b which uses a cylindrical optical lens 6 to focus the beam on a strip along the y axis. This configuration? particularly robust for the simplicity? of the collection of the infrared signal which is measured and analyzed only along the x axis, with evident savings in the measurement times of the infrared sensor 8.

In questo caso ? stata trovata una semplice espressione analitica per il segnale complesso (modulo e fase) a sinistra (x<0) e a destra (x>0) della striscia che illumina il campione in x=0. Il segnale IR ? proporzionale all?incremento di temperatura ?Ts che in questo caso vale In this case ? a simple analytical expression was found for the complex signal (module and phase) to the left (x<0) and to the right (x>0) of the strip illuminating the sample at x=0. IR signal? proportional to the temperature increase ?Ts which is valid in this case

(17) (17)

dove A=?Ts(0) ? il valore della temperatura in x=0, ininfluente ai fini dell?analisi dei dati. I risultati delle simulazioni numeriche sono mostrati in Fig. 12 dove vengono riportati sia il logaritmo dell?ampiezza (Fig. 12a) che la fase (Fig. 12b) in funzione dell?offset orizzontale normalizzato (x/?) per diverse velocit? di trascinamento del campione. Sia la fase che l?ampiezza logaritmica hanno un comportamento lineare con l?offset. Guardando alla Eq. (17) ci sono 3 pendenze rilevanti: where A=?Ts(0) ? the temperature value at x=0, irrelevant for the purposes of data analysis. The results of the numerical simulations are shown in Fig. 12 where both the logarithm of the amplitude (Fig. 12a) and the phase (Fig. 12b) are reported as a function of the normalized horizontal offset (x/?) for different speeds? sample entrainment. Both the phase and the logarithmic amplitude behave linearly with the offset. Looking at Eq. (17) there are 3 relevant slopes:

le due pendenze sA+ e sA-, calcolate dal comportamento lineare del logaritmo di ampiezza per x> 0 ed x<0 (l?ampiezza non ? simmetrica con x), e la pendenza sPh calcolata dalla fase (la fase ? simmetrica con x). the two slopes sA+ and sA-, calculated from the linear behavior of the logarithm of amplitude for x> 0 and x<0 (the amplitude is not symmetrical with x), and the slope sPh calculated from the phase (the phase is symmetrical with x) .

Dalla Eq. (17) si ricava l?espressione delle tre pendenze: From Eq. (17) the expression of the three slopes is obtained:

(18) (18)

dove per maggiore semplicit? ripetiamo la definizione dei simboli coinvolti nella (18) where for greater simplicity? we repeat the definition of the symbols involved in (18)

Dopo semplici passaggi algebrici si ottiene che ?/?=(sA--sA+)/2=?sA/2 ed inoltre a/?=(sA-+sA+)/2. Combinando le equazioni ed usando la propriet? a?b=1 si pu? esplicitare l?espressione della lunghezza di diffusione termica ? e della velocit? normalizzata ? in funzione delle tre pendenze misurabili sperimentalmente After simple algebraic passages we obtain that ?/?=(sA--sA+)/2=?sA/2 and also a/?=(sA-+sA+)/2. Combining the equations and using the property? a?b=1 you can? make explicit the expression of the thermal diffusion length ? and the speed? normalized ? as a function of the three experimentally measurable slopes

(19) (19)

dalla Eq. (19) si ottengono infine le quantit? incognite: la diffusivit? termica D e la velocit? di traslazione del campione V from Eq. (19) are finally obtained the quantities? unknowns: the diffusivity? thermal D and the speed? of translation of the sample V

(20) (20)

Vale la pena sottolineare che la Eq. (20) ? fondamentale per una misura accurata della diffusivit? termica locale in caso di controllo qualit? in linea di prodotti industriali in movimento su nastro trasportatore, e ispezionati mediante termografia lock-in secondo lo schema in Fig. 10b, ma pu? anche rilevare la velocit? V di traslazione che potrebbe avere variazioni dovute ad imprevisti o semplice cambiamento di modalit? di traslazione. Un?unit? di controllo 14 collegata al modulatore 4 tramite una linea 15 (nel presente caso un analizzatore di spettro non serve ovviamente), consentirebbe di controllare la velocit? V in caso di scostamenti da un valore nominale (cfr. Figg. 10a e b). It is worth noting that Eq. (20) ? fundamental for an accurate measurement of the diffusivity? local thermal in case of quality control? in line of industrial products moving on a conveyor belt, and inspected by lock-in thermography according to the scheme in Fig. 10b, but can? also detect the speed? V of translation that could have variations due to unforeseen events or a simple change of modality? of translation. A unit of control 14 connected to the modulator 4 through a line 15 (in the present case a spectrum analyzer is obviously not needed), would it allow to control the speed? V for deviations from a nominal value (cf. Figs. 10a and b).

Per velocit? di traslazione normalizzate molto alte ?>>1, la pendenza sA- diviene molto elevata e non facilmente misurabile. In mancanza del dato sA- la Eq. (20) non ? applicabile, ma nella nota 6 in appendice ? mostrato come esista un altro metodo alternativo per misurare la diffusivit? termica dalle sole misure a destra di sph e sA+ secondo la espressione approssimata For speed? of translation very high ?>>1, the slope sA- becomes very high and not easily measurable. In the absence of the data sA- the Eq. (20) not ? applicable, but in note 6 in the appendix ? shown as there is another alternative method to measure the diffusivity? thermal from only the measurements to the right of sph and sA+ according to the approximate expression

<(21)> <(21)>

che ? applicabile quando ? nota la velocit? di traslazione V. That ? applicable when ? note the speed? of translation V.

Esempi di applicazioni della seconda realizzazione dell?invenzione Examples of applications of the second embodiment of the invention

A titolo di esempio viene riportato uno schema di applicazione in ambito automotive. Uno degli argomenti in forte sviluppo ? quello dei controlli nondistruttivi sulla rete ferroviaria tramite locomotori attrezzati. Usualmente vengono utilizzate tecniche ad ultrasuoni per il controllo della linea ferrata che tuttavia non riescono ad indagare con precisione le propriet? termomeccaniche in alcune zone di testa del binario. Un sistema Doppler termografico invece pu? misurare in modo nondistruttivo la diffusivit? superficiale lungo il binario durante il moto di una locomotiva opportunamente attrezzata. Dalla misura della diffusivit? termica si pu? infine calcolare la durezza superficiale lungo il binario e verificare eventuali punti a rischio della linea (ci? ? possibile previa taratura del materiale della linea ferrata e nota la tabella di correlazione fra i valori di durezza e quelli di diffusivit? termica). Questa analisi termografica permette inoltre di verificare l?omogeneit? della superficie della linea ferrata e la presenza di cricche superficiali e sub-superficiali. As an example, an application scheme in the automotive sector is shown. One of the topics in strong development? that of non-destructive tests on the railway network using equipped locomotives. Ultrasonic techniques are usually used for the control of the railway line which, however, are unable to precisely investigate the properties thermomechanical in some areas at the end of the track. A thermographic Doppler system instead pu? measure in a non-destructive way the diffusivity? surface along the track during the motion of a suitably equipped locomotive. From the measurement of the diffusivity? thermal can you? finally calculate the surface hardness along the track and check any points at risk of the line (this is possible after calibrating the material of the railway line and note the correlation table between the hardness values and those of thermal diffusivity). This thermographic analysis also makes it possible to verify the homogeneity? of the surface of the railway line and the presence of superficial and sub-superficial cracks.

La Fig. 13 mostra il sistema discusso in Fig. 10b montato a bordo di un locomotore 17. Il sistema prevede un laser 20 per scaldare il binario 18 e l?utilizzo di pi? sensori infrarossi 19 per seguire la temperatura indotta quando il locomotore 17 si muove a velocit? elevate V [5 ? 20 km/h]. Fig. 13 shows the system discussed in Fig. 10b mounted on board a locomotive 17. The system provides a laser 20 to heat the track 18 and the use of more? infrared sensors 19 to follow the temperature induced when the locomotive 17 moves at speed? high V [5 ? 20 km/h].

Per questa applicazione la diffusivit? termica D del binario 18 ? solitamente nel range [5?10<-6 >? 2?10<-5 >m<2>/s]. Il range di frequenze utili ? [1?100 Hz] in modo da avere una velocit? normalizzata ? nel range [5?50] che pu? allungare molto la lunghezza di diffusione termica percepita dai sensori ?ph fino a 50 volte permettendo una buona misura della fase. For this application, the diffusivity? thermal D of track 18 ? usually in the range [5?10<-6 >? 2?10<-5 >m<2>/s]. The range of useful frequencies? [1?100 Hz] in order to have a speed? normalized ? in the range [5?50] that can? greatly lengthen the length of thermal diffusion perceived by the ?ph sensors up to 50 times allowing a good measurement of the phase.

A titolo di esempio con riferimento alla Fig. 13 si riportano i risultati di una simulazione numerica fatta con un diodo laser di potenza 10 W, operante a 808 nm, modulato in tensione alla frequenza 5 Hz a bordo di un locomotore viaggiante alla velocit? di 5 km/h che ispeziona una linea ferrata di diffusivit? termica incognita (nelle simulazioni poniamo D=1?10<-5 >m<2>/s) By way of example, with reference to Fig. 13, the results of a numerical simulation made with a laser diode of 10 W power, operating at 808 nm, voltage modulated at a frequency of 5 Hz on board a locomotive traveling at speed 5 are reported. of 5 km/h inspecting a railway line of diffusivity? unknown thermal (in the simulations we set D=1?10<-5 >m<2>/s)

Per studiare un caso concreto e fattibile ? necessario distanziare i due sensori IR in Fig. 13 di 1.5 metri tale che x2-x1=1.5 m (questo ? attuabile nella carrozza del locomotore). To study a concrete and feasible case? It is necessary to distance the two IR sensors in Fig. 13 by 1.5 meters such that x2-x1=1.5 m (this can be done in the locomotive carriage).

Settati questi parametri i due sensori IR misurano: Once these parameters are set, the two IR sensors measure:

a) una differenza di fase reciproca ??=?1??2=33.93 rad a) a mutual phase difference ??=?1??2=33.93 rad

b) ed un rapporto fra i loro moduli M2/M1=0.9945 b) and a ratio between their modules M2/M1=0.9945

Da questi dati sperimentali si calcolano la pendenza di fase sph=22.62 rad/m e la pendenza del logaritmo di ampiezza destra sA+=0.00368 m<-1>From these experimental data the phase slope sph=22.62 rad/m and the slope of the right amplitude logarithm sA+=0.00368 m<-1> are calculated

entrambe a destra del laser di pompa. I dati a sinistra in Fig. 13, ossia a sinistra del laser 20, sono in questo caso non misurabili. both to the right of the pump laser. The data to the left in Fig. 13 , i.e. to the left of the laser 20 , are in this case not measurable.

In queste condizioni assumendo nota V=5km/h ed applicando la Eq. (16) si trova una ottima stima della diffusivit? termica D=1?10<-5 >m<2>/s con un errore di calcolo dello 0.07%, dovuto agli arrotondamenti, mentre applicando la Eq. (21) si giunge alla stessa stima ma con un errore sistematico di circa 0.13% dovuto all?approssimazione della formula. Under these conditions, assuming note V=5km/h and applying Eq. (16) is there an excellent estimate of the diffusivity? thermal D=1?10<-5 >m<2>/s with a calculation error of 0.07%, due to rounding, while applying Eq. (21) we arrive at the same estimate but with a systematic error of about 0.13% due to the approximation of the formula.

Un?ultima applicazione della presente invenzione potrebbe riguardare il montaggio di un sistema di analisi di campioni di materiale, in accordo con la presente invenzione, su un drone. A last application of the present invention could relate to the assembly of a material sample analysis system, in accordance with the present invention, on a drone.

Appendici Appendices

Nota 1: Equazione di diffusione per una sorgente in moto Note 1: Diffusion equation for a moving source

L?equazione di diffusione del calore quando una sorgente ferma illumina un materiale assorbente in moto alla velocit? V ? data dalla equazione di diffusione The heat diffusion equation when a stationary source illuminates an absorbing material moving at speed? V ? given by the diffusion equation

dove T ? l?aumento di temperatura indotta, where T ? the induced temperature increase,

D la diffusivit? termica del materiale, D the diffusivity? thermal of the material,

k la conducibilit? termica del materiale, k the conductivity? thermal of the material,

w il calore indotto nel materiale per unit? di tempo e per unit? di volume, w is the heat induced in the material per unit? of time and per unit? in volume,

? l?operatore nabla noto dai corsi di fisica di base. ? the nabla operator known from basic physics courses.

Nel caso di sorgente termica piana lungo il piano xy, come indicato nelle configurazioni sperimentali in Fig. 1 e Fig.5, la temperatura diviene funzione della sola variabile spaziale z e l?equazione di diffusione diviene In the case of a plane thermal source along the xy plane, as indicated in the experimental configurations in Fig. 1 and Fig.5, the temperature becomes a function of the spatial variable z only and the diffusion equation becomes

Ed infine nel caso di modulazione della sorgente alla frequenza angolare ? tutte le grandezze oscillano alla stessa frequenza angolare, e l?equazione in regime And finally in the case of modulation of the source at the angular frequency ? all quantities oscillate at the same angular frequency, and the equation in regime

armonico diventa dove si ? ipotizzato un harmonic becomes where yes ? hypothesized a

assorbimento della intensit? luminosa I da parte di uno strato di particelle alla profondit? Zo. intensity absorption? luminous I by a layer of particles at the depth? Zo.

L?equazione di diffusione in regime armonico sopra descritta ? una equazione differenziale del secondo ordine omogenea che ha una soluzione generale data dalla sovrapposizione di due possibili funzioni The equation of diffusion in harmonic regime described above ? a homogeneous second-order differential equation which has a general solution given by the superposition of two possible functions

dove F e G sono costanti arbitrarie da determinarsi con le condizioni al contorno, mentre i due fattori presenti negli esponenziali, devono soddisfare l?equazione where F and G are arbitrary constants to be determined with the boundary conditions, while the two factors present in the exponentials must satisfy the equation

Introducendo la lunghezza di diffusione termica Introducing the thermal diffusion length

divengono Infine introducendo la velocit? normalizzata possiamo riscrivere i due become Finally introducing the speed? normalized we can rewrite the two

fattori nella forma finale factors in the final form

dove per semplicit? si ? posto in termini di numero complesso where for simplicity? Yes ? placed in terms of the complex number

con with

Ipotizzando che la sorgente di calore sia piana alla profondit? ZS=Zo,-Vt la soluzione per la temperatura nel semispazio z>0 si specifica nelle varie zone: T1 nella zona 0<z<ZS e T2 per z>ZS Assuming that the heat source is flat at the depth? ZS=Zo,-Vt the solution for the temperature in half-space z>0 is specified in the various zones: T1 in zone 0<z<ZS and T2 for z>ZS

I coefficienti F, G, H, si determinano imponendo le seguenti condizioni al contorno: The coefficients F, G, H are determined by imposing the following boundary conditions:

1) continuit? della temperatura all?interfaccia z=ZS da cui si ricava T1=T2 ossia F+G=H 1) continuity? of the temperature at the interface z=ZS from which we obtain T1=T2 or F+G=H

2) flusso termico iniettato dalla sorgente luminosa I ripartito nei due flussi termici (per z=ZS deve essere I= k?dT1/dz - k?dT2/dz) 2) thermal flux injected by the light source I divided into the two thermal fluxes (for z=ZS it must be I= k?dT1/dz - k?dT2/dz)

3) flusso termico nullo alla superficie z=0 con l?aria che ? isolante (condizione k?dT1/dz=0) 3) zero thermal flux to the surface z=0 with the air that ? insulator (condition k?dT1/dz=0)

Imponendo le tre condizioni sopra descritte ? possibile ricavare i coefficienti F, G, H in forma algebrica e calcolare infine l?espressione dell?incremento di temperatura osservabile per z=0 sulla superficie che ? data dall?espressione By imposing the three conditions described above ? Is it possible to obtain the coefficients F, G, H in algebraic form and finally calculate the expression of the increase in temperature observable for z=0 on the surface which ? given by the expression

dove ? definita come effusivit? termica del campione. Where ? defined as effusivity? temperature of the sample.

Poich? inoltre la particella, inizialmente posizionata alla profondit? Zo, si muove verso la superficie di moto rettilineo uniforme con legge ci? comporta nella espressione della temperatura superficiale una serie di passaggi algebrici semplificativi sul termine because moreover, the particle, initially positioned at the depth? Zo, does it move towards the surface of uniform rectilinear motion with law ci? involves in the expression of the surface temperature a series of simplifying algebraic passages on the term

che portano that they bring

alla espressione finale dell?incremento di temperatura superficiale to the final expression of the surface temperature increase

Nota 2 Note 2

Partendo dalla equazione sulla variazione di frequenza Starting from the equation on the frequency variation

elevando al quadrato ambo i membri squaring both sides

quindi isolando il radicale thus isolating the radical

elevando al quadrato e semplificando squaring and simplifying

isolando il termine di velocit? da cui estraendo la radice quartica da cui isolating the term of speed? from which by extracting the quartic root from which

Nota 3 Note 3

Partendo dalla legge temporale esponenziale del modulo del segnale in Eq. (2) exp (g?t )= exp[ (a+? ) ??t ] si ricava la costante di tempo g nel termine esponenziale Starting from the exponential time law of the magnitude of the signal in Eq. (2) exp (g?t )= exp[ (a+? ) ??t ] we obtain the time constant g in the exponential term

da cui from which

si esplicita la velocit? della particella: is the speed explicit? of the particle:

Nota 4 Note 4

Partendo dalla espressione della fase del segnale in Eq. (2) Starting from the expression of the phase of the signal in Eq. (2)

a profondit? iniziale della deep initial of

Sostituendo poi V con Then replacing V with

l?espressione finale della nota 2 si ottiene the final expression of note 2 is obtained

che dopo passaggi algebrici porta a which after algebraic steps leads to

Nota 5 Note 5

Quadrando la Eq. (15) Isolando il radicale si ottiene By squaring Eq. (15) By isolating the radical we obtain

Quadrando Quadranging

Semplificando il termine e sostituendo si ottiene infine By simplifying the term and substituting we finally get

da cui si ricava from which it is derived

Nota 6 Note 6

A partire dalle Eq. (18), quando ? possibile misurare solo le pendenze a destra del Starting from Eqs. (18), when ? Only slopes to the right of the can be measured

laser di pompa sono accessibili solo i due dati Moltiplicando i pump laser only the two data are accessible Multiplying i

dati delle due pendenze si ottiene data of the two slopes is obtained

D?altra parte quando ?>>1 il fattore b??, arrestando lo sviluppo di Taylor al secondo ordine tende a On the other hand, when ?>>1 the factor b??, stopping the second order Taylor expansion tends to

Introducendo questo risultato approssimato nella relazione precedente si giunge alla By introducing this approximate result in the previous relation we arrive at

dalla quale from which

esplicitando la diffusivit? termica si giunge alla formula finale explaining the diffusivity? heat, we arrive at the final formula

Lista dei simboli di riferimento List of reference symbols

1 campione, con particelle (interne) in movimento 1 sample, with moving (inner) particles

1? campione 1? sample

2 particella in movimento verticale 2 particle in vertical motion

2? particela in movimento orizzontale 2? particle in horizontal motion

3 sorgente di luce (laser) 3 light source (laser)

4 modulatore di 3 4 modulator of 3

5 fascio di luce modulato 5 modulated light beam

6 ottica di trasmissione 6 transmission optics

7 area di incidenza della luce 7 light incidence area

8 telecamera 8 camera

8a sensore, rivelatore 8th sensor, detector

8b ottica di ricezione, lente al germanio 8b receiving optics, germanium lens

9 luce riemessa 9 light re-emitted

10 analizzatore di spettro 10 spectrum analyzer

11 linea di collegamento di ?lock in? 11 ?lock in? connecting lines

12 linea di collegamento 12 connecting line

13 computer, laptop 13 computers, laptops

14 unit? di controllo 14 units? control

15 linea di collegamento di ?lock in? 15 ?lock in? connecting line

16 linea di collegamento (di regolazione della velocit? del campione) 17 locomotore 16 connection line (for regulating the speed of the sample) 17 locomotive

18 binario, rotaia 18 track, rail

19 telecamera (su locomotore) 19 camera (on locomotive)

20 laser (su locomotore) 20 lasers (on locomotive)

S superficie del campione S sample surface

Claims (26)

Rivendicazioni 1. Tecnica di test di un campione di materiale mediante l?utilizzo della radiometria o termografia a infrarossi, caratterizzata dal fatto di comprendere le seguenti fasi: a) mettere a disposizione un campione da esaminare, il quale (a1) forma sostanzialmente un materiale le cui particelle sono tutte in quiete le une rispetto alle altre, a livello della fisica macroscopica, oppure (a2) forma un materiale in cui alcune particelle sono in movimento rispetto alla parte restante e principale del campione, a livello della fisica macroscopica; b) mettere a disposizione una sorgente di luce (3), preferibilmente infrarossa, quale un fascio laser di pompa (3), e un modulatore (4) per modulare temporalmente ad una frequenza angolare ? la luce trasmessa da detta sorgente di luce (3), c) mettere a disposizione un?ottica di trasmissione (6) per collimare e/o focalizzare e/o modellare il fascio di luce trasmessa, e per proiettarlo su un?area di incidenza (7) della luce sulla superficie (S) del campione, d) mettere a disposizione almeno un sistema di rilevamento (8; 8a, 8b), formato da almeno un?ottica di ricezione (8b) con rivelatore (8a) oppure da almeno una telecamera IR (8), tale sistema di rilevamento (8; 8a, 8b) ricevendo la luce infrarossa riemessa da detta area di incidenza (7) della luce e da un?area circostante di diffusione del calore, e portando il corrispondente segnale IR di rilevamento ad un?unit? di controllo e analisi di dati (10, 13,14), la quale viene collegata a detto sistema di rilevamento (8; 8a, 8b); e) collegare (11; 15), detto modulatore (4) a detta unit? di controllo e analisi di dati (10, 13, 14), f) laddove, nel caso a1) il campione ? in movimento ad una velocit? V rispetto al sistema di rilevamento (8; 8a, 8b) e alla sorgente di luce (3), e nel caso a2) dette particelle in movimento, interne al campione, si muovono rispetto al sistema di rilevamento (8; 8a, 8b) e alla sorgente di luce (3), e dal fatto di comprendere inoltre le seguenti fasi g) analizzare i dati di segnale IR raccolti tramite l?unit? di controllo e analisi, sulla base della distribuzione spazio-temporale dell?incremento di temperatura ?Ts in detta area di incidenza (7) della luce e in un?area circostante di diffusione del calore, situate entrambe sulla superficie (S) del campione, e in particolare analizzare la fase e il modulo di segnale IR, h) determinare nel caso a1) la diffusivit? termica D del campione e/o la velocit? V del campione stesso, oppure, nel caso a2) ottenere una statistica dei parametri di posizione e di velocit? utilizzando lo shift di frequenza ?? dovuto all?effetto Doppler sulle onde termiche prodotte dalle singole particelle in movimento (2; 2?) riscaldate dalla sorgente di luce. Claims 1. Test technique of a material sample using infrared radiometry or thermography, characterized by the fact that it includes the following phases: a) make available a sample to be examined, which (a1) substantially forms a material whose particles are all at rest with respect to each other, at the level of macroscopic physics, or (a2) forms a material in which some particles are in motion with respect to the remaining and main part of the sample, at the level of macroscopic physics; b) making available a light source (3), preferably infrared, such as a pump laser beam (3), and a modulator (4) for temporally modulating at an angular frequency ? the light transmitted by said light source (3), c) provide a transmission optics (6) to collimate and/or focus and/or shape the transmitted light beam, and to project it onto an area of incidence (7) of the light on the surface (S) of the sample d) providing at least one detection system (8; 8a, 8b), formed by at least one receiving optics (8b) with detector (8a) or by at least one IR video camera (8), this detection system ( 8; 8a, 8b) receiving the re-emitted infrared light from said light incidence area (7) and from a surrounding heat diffusion area, and carrying the corresponding IR detection signal to a unit? control and data analysis system (10, 13,14), which is connected to said detection system (8; 8a, 8b); e) connecting (11; 15), said modulator (4) to said unit? control and data analysis (10, 13, 14), f) where, in case a1) the sample ? moving at a speed? V with respect to the detection system (8; 8a, 8b) and the light source (3), and in case a2) said moving particles, inside the sample, move with respect to the detection system (8; 8a, 8b) and to the light source (3), and by further comprising the following steps g) analyze the IR signal data collected through the unit? control and analysis, based on the spatio-temporal distribution of the temperature increase ?Ts in said area of incidence (7) of the light and in a surrounding area of heat diffusion, both located on the surface (S) of the sample, and in particular analyze the phase and the form of the IR signal, h) determine in case a1) the diffusivity? thermal D of the sample and/or the speed? V of the sample itself, or, in the case a2) to obtain a statistic of the parameters of position and speed? using frequency shift ?? due to the Doppler effect on the thermal waves produced by the single moving particles (2; 2?) heated by the light source. 2. Tecnica di test di un campione di materiale mediante l?utilizzo della radiometria o termografia a infrarossi, secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che nel caso a2), detta unit? di controllo e analisi di dati comprende un analizzatore di spettro (10) collegato al modulatore (4), e un computer (13). 2. Technique for testing a sample of material by using infrared radiometry or thermography, according to claim 1, characterized in that in case a2), said unit? of control and data analysis comprises a spectrum analyzer (10) connected to the modulator (4), and a computer (13). 3. Tecnica di test di un campione di materiale mediante l?utilizzo della radiometria o termografia a infrarossi, secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che nel caso a1) detta unit? di controllo e analisi comprende un?unit? di controllo (14) e un computer (13), laddove il modulatore (4) ? collegato all?unit? di controllo (14) che utilizza un demodulatore lock-in. 3. Technique for testing a sample of material by using infrared radiometry or thermography, according to claim 1, characterized in that in case a1) said unit? of control and analysis includes a?unit? controller (14) and a computer (13), where the modulator (4) ? connected to the unit? controller (14) which uses a lock-in demodulator. 4. Tecnica di test di un campione di materiale mediante l?utilizzo della radiometria o termografia a infrarossi, secondo la rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che l?unit? di controllo (14) viene collegata in modo elettrico oppure wireless a degli attuatori o mezzi di azionamento del campione (1?), per fornire un segnale di feedback a tali attuatori o mezzi di azionamento del campione, in maniera da adattare in tempo reale la velocit? V del campione se questa si discosta da un suo valore nominale sostanzialmente costante. 4. Technique for testing a material sample by using infrared radiometry or thermography, according to claim 3, characterized in that the unit? controller (14) is electrically or wirelessly connected to actuators or sample driving means (1?), to provide a feedback signal to said actuators or sample driving means, so as to adapt in real time the speed? V of the sample if this deviates from a substantially constant nominal value. 5. Tecnica di test di un campione di materiale mediante l?utilizzo della radiometria o termografia a infrarossi, secondo la rivendicazione 1, in cui la modulazione effettuata dal modulatore (4) pu? essere ottenuta ad esempio con un chopper della sorgente di luce, con un diodo laser comandato da un?onda quadra, oppure con un sistema elettroottico. 5. Test technique of a material sample by using infrared radiometry or thermography, according to claim 1, wherein the modulation performed by the modulator (4) can be obtained for example with a chopper of the light source, with a laser diode controlled by a square wave, or with an electro-optical system. 6. Tecnica di test secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto di scegliere la frequenza di modulazione ? del modulatore (4) in modo da avere una lunghezza di diffusione termica ? che si sovrappone almeno in parte coi valori del range di profondit? delle posizioni delle particelle in movimento rispetto alla superficie S del campione. 6. Test technique according to claim 1, characterized by the fact of choosing the modulation frequency ? of the modulator (4) in order to have a thermal diffusion length ? that overlaps at least in part with the values of the range of depth? of the positions of the moving particles with respect to the surface S of the sample. 7. Tecnica di test secondo la rivendicazione 1, 2, 5 oppure 6, caratterizzata dal fatto che le particelle in movimento (2) si muovono sostanzialmente in direzione verticale ossia ortogonale alla superficie S del campione, oppure le particelle in movimento (2?) si muovono in direzione sostanzialmente orizzontale ossia parallela alla superficie S del campione. 7. Test technique according to claim 1, 2, 5 or 6, characterized in that the moving particles (2) move substantially in a vertical direction or perpendicular to the surface S of the sample, or the moving particles (2?) they move in a substantially horizontal direction, i.e. parallel to the surface S of the sample. 8. Tecnica di test secondo la rivendicazione 7, caratterizzata dal fatto che se le particelle in movimento (2) si muovono in direzione sostanzialmente verticale, allora il fascio di luce trasmessa viene collimato su un?area ristretta, ad esempio di 1 mm<2>, mentre se le particelle (2?) si muovono in direzione sostanzialmente orizzontale, allora il fascio di luce trasmessa della sorgente di luce non viene focalizzato ma collimato in modo da illuminare un?area pi? estesa, di ad esempio 1 cm<2>, per seguire il moto delle particelle in movimento lungo la direzione definita dalla loro velocit?. 8. Test technique according to claim 7, characterized in that if the moving particles (2) move in a substantially vertical direction, then the transmitted light beam is collimated on a restricted area, for example of 1 mm<2 >, while if the particles (2?) move in a substantially horizontal direction, then the transmitted light beam of the light source is not focused but collimated so as to illuminate a wider area? extended, for example 1 cm<2>, to follow the motion of the particles moving along the direction defined by their speed. 9. Tecnica di test secondo la rivendicazione 8, caratterizzata dal fatto che l?unit? di controllo e analisi (10, 13) elabora i dati di segnale IR forniti dal sensore IR per le particelle in movimento sostanzialmente verticale (2) ed utilizza le seguenti formule per il calcolo della velocit? verticale e della posizione delle stesse: 9. Test technique according to claim 8, characterized in that the unit? control and analysis (10, 13) processes the IR signal data supplied by the IR sensor for substantially vertically moving particles (2) and uses the following formulas to calculate the speed? vertical and their position: essendo ?? lo shift di frequenza, g il guadagno esponenziale del segnale IR, ? la fase di quest?ultimo, ottenuti dall?analizzatore di spettro (10). being ?? the frequency shift, g the exponential gain of the IR signal, ? the phase of the latter, obtained from the spectrum analyzer (10). 10. Tecnica di test secondo la rivendicazione 7 o 8, caratterizzata dal fatto che l?unit? di controllo e analisi (10,13) elabora i dati di segnale IR forniti dal sensore IR per le particelle in movimento sostanzialmente orizzontale (2?) ed utilizza le seguenti formule per il calcolo della velocit? orizzontale e della posiz ione delle stesse: 10. Test technique according to claim 7 or 8, characterized in that the unit? of control and analysis (10,13) elaborates the data of signal IR supplied from the IR sensor for the particles in movement substantially horizontal (2?) and uses the following formulas for the calculation of the speed? horizontal and their position: 11. Tecnica di test secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che nel caso di uno spot gaussiano formato dalla sorgente di luce trasmessa, e supponendo nota la variabile V, l?unit? di controllo e analisi (13, 14) calcola la diffusivit? termica D in base alla seguente formula 11. Test technique according to claim 1, characterized in that in the case of a Gaussian spot formed by the transmitted light source, and supposing the variable V is known, the unit? of control and analysis (13, 14) calculates the diffusivity? temperature D according to the following formula essendo sph ottenibile dall?unit? di controllo e analisi come valore assoluto del gradiente della fase del segnale IR rispetto al raggio r pari alla distanza dal centro dello spot del fascio della sorgente di luce sulla superficie S del campione. being sph obtainable from the unit? of control and analysis as the absolute value of the phase gradient of the IR signal with respect to the beam r equal to the distance from the center of the spot of the light source beam to the surface S of the sample. 12. Tecnica di test secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto di focalizzare tramite detta ottica di trasmissione (6) il fascio di luce trasmessa sulla superficie S del campione lungo una striscia perpendicolare alla direzione del moto V del campione, e di utilizzare l?unit? di controllo e analisi (13, 14) per calcolare la diffusivit? termica D del campione e la velocit? V del campione, che in questo caso si considera non nota, utilizzando le formule seguenti: 12. Test technique according to claim 1, characterized in that by means of said transmission optics (6) the light beam transmitted on the surface S of the sample is focused along a strip perpendicular to the direction of motion V of the sample, and by using the? unit? of control and analysis (13, 14) to calculate the diffusivity? thermal D of the sample and the speed? V of the sample, which in this case is considered not known, using the following formulas: essendo le pendenze sA+, sA- e sph quantit? ottenibili dall?unit? di controllo e analisi dal segnale IR misurato a valle e rispettivamente a monte di detta striscia, dall?ampiezza logaritmica e dalla fase di detto segnale IR. being the slopes sA+, sA- and sph quantity? obtainable from? unit? control and analysis by the IR signal measured downstream and respectively upstream of said strip, by the logarithmic amplitude and by the phase of said IR signal. 13. Tecnica di test secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto di focalizzare tramite detta ottica di trasmissione (6) il fascio di luce trasmessa sulla superficie S del campione lungo una striscia perpendicolare alla direzione del moto V del campione, e di utilizzare l?unit? di controllo e analisi (13, 14) per calcolare la diffusivit? termica D del campione utilizzando la formula approssimata seguente, valida per valori elevati di ?: 13. Test technique according to claim 1, characterized in that by means of said transmission optics (6) the light beam transmitted on the surface S of the sample is focused along a strip perpendicular to the direction of motion V of the sample, and by using the? unit? of control and analysis (13, 14) to calculate the diffusivity? temperature D of the sample using the following approximate formula, valid for large values of ?: essendo le pendenze sA+ e sph quantit? ottenibili dall?unit? di controllo e analisi dal segnale IR misurato a valle di detta striscia, dall?ampiezza logaritmica e dalla fase di detto segnale IR. being the slopes sA+ and sph quantity? obtainable from? unit? of control and analysis from the IR signal measured downstream of said strip, from the logarithmic amplitude and from the phase of said IR signal. 14. Tecnica di test secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzata dal fatto che la sorgente di luce di trasmissione, ad esempio un laser, ? sintonizzabile su, oppure presenta, N lunghezze d?onda diverse, ?1, ?2?. ?n, corrispondenti alle lunghezze d?onda di assorbimento per N diverse specie ossia famiglie di particelle in movimento. 14. Test technique according to any one of the preceding claims, characterized in that the transmitting light source, for example a laser, is? tunable on, or has, N different wavelengths, ?1, ?2?. ?n, corresponding to the absorption wavelengths for N different species or families of particles in motion. 15. Tecnica di test secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui la lunghezza d?onda o le lunghezze d?onda del laser vengono selezionate in modo che il materiale del campione sia almeno parzialmente trasparente al fascio di luce della sorgente di luce di trasmissione affinch? quest?ultimo possa penetrare con debole attenuazione in esso, per essere infine fortemente e selettivamente assorbito dalle particelle in movimento. The test technique according to any preceding claim, wherein the wavelength(s) of the laser are selected such that the sample material is at least partially transparent to the light beam of the transmitting light source so that the latter can penetrate it with weak attenuation, to finally be strongly and selectively absorbed by the moving particles. 16. Tecnica di test secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detto sistema di rilevamento ? adattato ad una specifica applicazione, ossia a ricevere una radiazione infrarossa solo dalla superficie S del campione, bloccando altra luce di disturbo. 16. Test technique according to any one of the preceding claims, characterized in that said detection system ? adapted to a specific application, i.e. to receive infrared radiation only from the surface S of the sample, blocking other disturbing light. 17. Tecnica di test secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui nel caso a2) il campione da esaminare pu? essere una porzione pi? esterna S del corpo umano, e le particelle in movimento possono essere ad esempio il glucosio, particelle di acqua, corpuscoli presenti in un vaso sanguigno o un capillare, o simili, e nel caso a1) il campione pu? essere una linea ferrata da esaminare riguardo a possibili difetti oppure una serie di prodotti in movimento su una linea di produzione, ad esempio su un nastro trasportatore, per effettuare un controllo qualit?, o simili campioni di un processo di produzione industriale. 17. Test technique according to any one of the preceding claims, wherein in case a2) the sample to be examined can be a portion more? external S of the human body, and the moving particles can be, for example, glucose, water particles, corpuscles present in a blood vessel or a capillary, or the like, and in case a1) the sample can? be a railway line to be examined for possible defects or a series of products moving on a production line, for example on a conveyor belt, to carry out a quality control, or similar samples of an industrial production process. 18. Sistema di test di un campione di materiale mediante l?utilizzo della radiometria o termografia a infrarossi, caratterizzato dal fatto di comprendere: a) un campione da esaminare, il quale (a1) forma sostanzialmente un materiale le cui particelle sono tutte in quiete le une rispetto alle altre, a livello della fisica macroscopica, oppure (a2) forma un materiale in cui alcune particelle sono in movimento rispetto alla parte restante e principale del campione, a livello della fisica macroscopica; b) una sorgente di luce (3), preferibilmente infrarossa, quale un fascio laser di pompa (3), e un modulatore (4) per modulare temporalmente ad una frequenza angolare ? la luce trasmessa da detta sorgente di luce, c) un?ottica di trasmissione (6) per collimare e/o focalizzare e/o modellare il fascio di luce trasmessa, e per proiettarlo su un?area di incidenza della luce sulla superficie (S) del campione, d) almeno un sistema di rilevamento (8; 8a, 8b), formato da almeno un?ottica di ricezione (8b) con sensore ossia rivelatore (8a) oppure da almeno una telecamera IR (8), tale sistema di rilevamento (8; 8a, 8b) ricevendo la luce infrarossa riemessa da detta area di incidenza della luce e da un?area circostante di diffusione del calore, e portando il corrispondente segnale IR di rilevamento ad un?unit? di controllo e analisi di dati (10, 13, 14), la quale ? collegata a detto sistema di rilevamento (8; 8a, 8b); e) in cui detto modulatore (4) ? collegato a detta unit? di controllo e analisi di dati (10, 13, 14), f) laddove, nel caso a1) il campione ? in movimento ad una velocit? V rispetto al sistema di rilevamento (8; 8a, 8b) e alla sorgente di luce (3), e nel caso a2) dette particelle in movimento, interne al campione, si muovono rispetto al sistema di rilevamento (8; 8a, 8b) e alla sorgente di luce (3), e dal fatto che g) l?unit? di controllo e analisi analizza i dati di segnale IR raccolti, sulla base della distribuzione spazio-temporale dell?incremento di temperatura ?Ts in detta area di incidenza della luce (7) e in un?area circostante di diffusione del calore, situate entrambe sulla superficie (S) del campione, e li analizza riguardo alla fase e al modulo di segnale IR, h) l?unit? di controllo e analisi determina nel caso a1) la diffusivit? termica D del campione e/o la velocit? V del campione stesso, oppure, nel caso a2) ottiene una statistica dei parametri di posizione e di velocit? utilizzando lo shift di frequenza ?? dovuto all?effetto Doppler sulle onde termiche prodotte dalle singole particelle in movimento (2; 2?) riscaldate dalla sorgente di luce. 18. Test system of a material sample using infrared radiometry or thermography, characterized in that it includes: a) a sample to be examined, which (a1) substantially forms a material whose particles are all at rest with respect to each other, at the level of macroscopic physics, or (a2) forms a material in which some particles are in motion with respect to to the remaining and main part of the sample, at the level of macroscopic physics; b) a light source (3), preferably infrared, such as a pump laser beam (3), and a modulator (4) for temporally modulating at an angular frequency ? the light transmitted by said light source, c) a transmission optics (6) for collimating and/or focusing and/or shaping the transmitted light beam, and for projecting it onto an area of incidence of the light on the surface (S ) of the sample, d) at least one detection system (8; 8a, 8b), formed by at least one receiving optics (8b) with sensor or detector (8a) or by at least one IR camera (8), this detection system (8; 8a, 8b) receiving the re-emitted infrared light from said light incidence area and a surrounding heat diffusion area, and carrying the corresponding IR detection signal to a unit? control and data analysis (10, 13, 14), which ? connected to said detection system (8; 8a, 8b); e) wherein said modulator (4) ? connected to this unit? control and data analysis (10, 13, 14), f) where, in case a1) the sample ? moving at a speed? V with respect to the detection system (8; 8a, 8b) and the light source (3), and in case a2) said moving particles, inside the sample, move with respect to the detection system (8; 8a, 8b) and to the light source (3), and by the fact that g) the unit? control and analysis analyzes the collected IR signal data, on the basis of the spatio-temporal distribution of the temperature increase ?Ts in said light incidence area (7) and in a surrounding heat diffusion area, both located on the surface (S) of the sample, and analyzes them regarding phase and IR signal modulus, h) the unit? of control and analysis determines in the case a1) the diffusivity? thermal D of the sample and/or the speed? V of the sample itself, or, in the case a2) obtains a statistic of the parameters of position and speed? using frequency shift ?? due to the Doppler effect on the thermal waves produced by the single moving particles (2; 2?) heated by the light source. 19. Sistema di test di un campione di materiale mediante l?utilizzo della radiometria o termografia a infrarossi, secondo la rivendicazione 17, caratterizzato dal fatto che nel caso a2), detta unit? di controllo e analisi di dati (10, 13, 14) comprende un analizzatore di spettro (10) collegato al modulatore (4), e un computer (13). 19. System for testing a sample of material by using infrared radiometry or thermography, according to claim 17, characterized in that in case a2), said unit? of control and data analysis (10, 13, 14) comprises a spectrum analyzer (10) connected to the modulator (4), and a computer (13). 20. Sistema di test di un campione di materiale mediante l?utilizzo della radiometria o termografia a infrarossi, secondo la rivendicazione 18, caratterizzato dal fatto che nel caso a1) detta unit? di controllo e analisi (13, 14) comprende un?unit? di controllo (14) e un computer (13), laddove il modulatore (4) ? collegato all?unit? di controllo (14) che utilizza un demodulatore lock-in. 20. System for testing a sample of material by using infrared radiometry or thermography, according to claim 18, characterized in that in case a1) said unit? of control and analysis (13, 14) comprises a unit? controller (14) and a computer (13), where the modulator (4) ? connected to the unit? controller (14) which uses a lock-in demodulator. 21. Sistema di test di un campione di materiale mediante l?utilizzo della radiometria o termografia a infrarossi, secondo la rivendicazione 20, caratterizzato dal fatto che l?unit? di controllo (14) ? collegata in modo elettrico oppure wireless a degli attuatori o mezzi di azionamento del campione, per fornire un segnale di feedback a tali attuatori o mezzi di azionamento del campione, in maniera da adattare in tempo reale la velocit? V del campione se questa si discosta da un suo valore nominale sostanzialmente costante. 21. System for testing a sample of material by using infrared radiometry or thermography, according to claim 20, characterized in that the unit? control (14) ? connected electrically or wirelessly to actuators or sample driving means, to provide a feedback signal to such actuators or sample driving means, so as to adapt in real time the speed? V of the sample if this deviates from a substantially constant nominal value. 22. Sistema di test di un campione di materiale mediante l?utilizzo della radiometria o termografia a infrarossi, secondo la rivendicazione 18, caratterizzato dal fatto che la modulazione effettuata dal modulatore (4) ? ottenuta ad esempio con un chopper della sorgente di luce, con un diodo laser comandato da un?onda quadra, oppure con un sistema elettroottico. 22. System for testing a sample of material by using infrared radiometry or thermography, according to claim 18, characterized in that the modulation performed by the modulator (4) is? obtained for example with a chopper of the light source, with a laser diode controlled by a square wave, or with an electro-optical system. 23. Sistema di test secondo la rivendicazione 18, caratterizzato dal fatto che la frequenza di modulazione ? del modulatore (4) ? scelta in modo da avere una lunghezza di diffusione termica ? che si sovrappone almeno in parte coi valori del range di profondit? delle posizioni delle particelle in movimento rispetto alla superficie S del campione. 23. Test system according to claim 18, characterized in that the modulation frequency ? of the modulator (4) ? chosen in order to have a thermal diffusion length ? that overlaps at least in part with the values of the range of depth? of the positions of the moving particles with respect to the surface S of the sample. 24. Sistema di test secondo la rivendicazione 18, 19, 22 oppure 23, caratterizzato dal fatto che le particelle in movimento (2) si muovono sostanzialmente in direzione verticale ossia ortogonale alla superficie S del campione, oppure le particelle in movimento (2?) si muovono in direzione sostanzialmente orizzontale ossia parallela alla superficie S del campione. 24. Test system according to claim 18, 19, 22 or 23, characterized in that the moving particles (2) move substantially in a vertical direction i.e. perpendicular to the surface S of the sample, or the moving particles (2?) they move in a substantially horizontal direction, i.e. parallel to the surface S of the sample. 25. Sistema di test secondo la rivendicazione 24, caratterizzato dal fatto che se le particelle in movimento si muovono in direzione sostanzialmente verticale, allora il fascio di luce trasmessa ? collimato su un?area ristretta, ad esempio di 1 mm<2>, mentre se le particelle si muovono in direzione sostanzialmente orizzontale, allora il fascio di luce trasmessa della sorgente di luce non ? focalizzato ma collimato in modo da illuminare un?area pi? estesa, di ad esempio 1 cm<2>, per seguire il moto delle particelle in movimento lungo la direzione definita dalla loro velocit?. 25. Test system according to claim 24, characterized in that if the moving particles move in a substantially vertical direction, then the transmitted light beam ? collimated on a narrow area, for example of 1 mm<2>, while if the particles move in a substantially horizontal direction, then the transmitted light beam of the light source is not? focused but collimated in order to illuminate a? area pi? extended, for example 1 cm<2>, to follow the motion of the particles moving along the direction defined by their speed. 26. Utilizzo di un sistema di test secondo le precedenti rivendicazioni su ovvero per un drone, per analizzare dei campioni durante lo spostamento del drone. 26. Using a test system according to the preceding claims on or for a drone, for analyzing samples while the drone is moving.
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